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在解码人类所有DNA后，将是对基因功能及其所编码蛋白质的研究。蛋白质组学将具有重要的作用。
蛋白质组学主要分为三个领域：(1)对蛋白质的大规模识别和翻译后加工修饰的细微特征分析；(2)借助差异性显示（差示）法在较大的疾病谱中分析蛋白质的水平；(3)应用质谱分析或酵母双杂交法研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用。由于仅仅根据一种蛋白质与其他蛋白质的同源性或三维结构来预测其功能非常困难，所以确定某种蛋白复合体的组成或细胞结构，成为蛋白质功能分析的中心环节。
一些富有远见卓识的科学家认为，时下基因排序已经不是人类基因组计划中最重要的课题了，重要的是这些基因是什么，具有什么功能。也就是说，在结构基因组学即将完成的今天，摆在我们面前的课题是功能基因组学，即对信使RNA(mRNA)和蛋白质的研究。如果把DNA比作细胞构建蛋白质的一套蓝图，那么mRNA就是这套蓝图的复印件。DNA存在于细胞核内，mRNA由有活性的基因转录出来，由细胞核转运到细胞质，并提供合成蛋白质的指令。
科学家过去认为，一个基因代表一个mRNA，一个mRNA代表一个蛋白质，现在知道情况并非如此，一个基因的不同区段，通过不同的剪接可以产生多个mRNA，这些mRNA所携带的信息（或称为密码）存在差异，而由此翻译成的蛋白质组成不同，功能亦有差异。如果把人体的细胞代谢活动比作福尔摩斯探案全集的话，人类基因组的DNA序列充其量是其中一个故事的一个小插曲。另外，科学家们还必须关注转录体，即细胞在任何时间合成mRNA的结构功能单位，还要关注根据mRNA的指令合成的蛋白质。因此，蛋白质组计划的难度要远远地超过基因组计划，这一计划的实施要借助于分子生物学、生物信息学、物理、化学等多种学科的发展和技术的革新。
为了真正弄清蛋白质功能，科学家必须区分蛋白质的形状和结构。以洛克菲勒大学的史蒂芬·伯利为首的一批著名的结构生物学家呼吁进行“结构基因组研究”，应用半自动化的X线晶体衍射法研究正常和异常蛋白质。
理论上讲，弄清楚人类蛋白质组中每种蛋白质的精确结构，将有助于药物设计人员设计出与蛋白质活性中心最匹配的药物，从而促进或阻止蛋白质之间的相互作用。这就是通常所说的“合理药物设计”，但至今还没有获得广泛成功。已经确定的人类蛋白质结构大约只有1%。人类蛋白质组一旦被弄清楚后，蛋白质产品将风靡全球。