Termolisin mempunyai berat molekul 34,600 Da. Struktur keseluruhannya terdiri daripada dua domain sfera dengan celahan dalam melintasi bahagian tengah molekul yang memisahkan kedua-dua domain. Struktur sekunder setiap domain agak berbeza, dengan domain terminal N kebanyakannya terdiri daripada helaian beta, manakala domain terminal C kebanyakannya memiliki struktur heliks alfa. Kedua-dua domain ini disambungkan oleh heliks alfa pusat yang merangkumi asid amino 137-151.[7]

Berbeza dengan kebanyakan protein yang mengalami perubahan konformasi dan penyahaslian apabila dipanaskan, termolisin tidak mengalami sebarang perubahan konformasi ketara sehingga sekurang-kurangnya 70 °C.[8] Kestabilan haba ahli keluarga TLP diukur dari segi suhu T50. Pada suhu ini, pengeraman selama 30 minit mengurangkan aktiviti enzim sebanyak separuh. Termolisin mempunyai nilai T50 86.9 °C, menjadikannya ahli paling stabil haba dalam keluarga TLP.[9] Kajian terhadap sumbangan kalsium terhadap kestabilan termolisin menunjukkan bahawa penyahaktifan haba berlaku dengan pembuangan satu molekul kalsium.[10] Menghalang kalsium ini daripada mula mengikat molekul dengan mutasi tapak pengikatnya mengurangkan kestabilan termolisin sebanyak 7 °C. Walau bagaimanapun, sementara pengikatan kalsium memberi sumbangan besar kepada kestabilan termolisin, apa yang lebih penting untuk kestabilan ialah sekumpulan kecil asid amino domain terminal N yang terletak di permukaan protein.[9] Khususnya, satu fenilalanina (F) di kedudukan asid amino 63 dan prolina (P) di kedudukan asid amino 69 menyumbang ketara terhadap kestabilan termolisin. Penukaran asid amino ini kepada treonina (T) dan alanina (A) masing-masing di proteinase seperti termolisin yang kurang stabil yang dihasilkan oleh Bacillus stearothermophillus (TLP-ste), mengakibatkan pengurangan kestabilan 7 °C (F63→T) dan 6.3 °C (P69→A), dan apabila digabungkan, kestabilan berkurang sebanyak 12.3 °C.[9]