稀有氨基酸(Rare amino acid)存在于蛋白质中的20种常见氨基酸以外的其它罕见氨基酸，它们没有对应的遗传密码，都是在肽链合成后由相应的常见的氨基酸经过化学修饰衍生而来的氨基酸。

蛋白质的稀有氨基酸中，4一羟基脯氨酸和5一羟基赖氨酸是两个重要的氨基酸，它们是胶原蛋白的重要组成成分，而胶原蛋白是哺乳动物体内最丰富的蛋白质。此外，与核酸形成复合物的蛋白质中的往往含有被修饰的氨基酸。

染色体上的组蛋白(histone)中含有被甲基化、乙酰化或磷酸化的氨基酸。N一甲酰甲硫氨酸(N—formylmethionine)是所有原核生物的蛋白质合成时N端的起始氨基酸。Υ-羧基谷氨酸存在于几种与凝血过程有关的蛋白质中。6-N一甲基赖氨酸(6一N—methyllysine)存在于肌球蛋白中，肌球蛋白与肌肉收缩以及细胞内某些运动过程有关。蛋白质稀有氨基酸的存在，可以影响蛋白质的溶解性、稳定性以及与其他蛋白质的相互作用，从而赋予蛋白质更丰富的功能。

人们发现共有21种氨基酸用于蛋白质的合成。这第21种氨基酸为硒代半胱氨(selenocysteine，缩写为See或SeCys)，其结构中以Se代替了半胱氨酸中的S。但实际上，硒代半胱氨酸是丝氨酸的衍生物。硒代半胱氨酸仅存在于少数几种蛋白质中，是在蛋白质合成时进入肽链的，而不是在蛋白质合成后经加工修饰形成。硒代半胱氨酸有自己的密码子，也有特定的tRNA。2002年，在某些古细菌中(archaebacteria)还发现了第22种氨基酸，为吡咯赖氨酸(pyrrolysine)。吡咯赖氨酸由赖氨酸修饰形成，也由DNA编码，有自己对应的密码子。