Karbamoyylifosfaattisyntaasi (CPSase) on heterodimeerinen entsyymi, joka koostuu pienestä ja suuresta alayksiköstä (poikkeuksena CPSase III, joka koostuu yhdestä polypeptidistä, joka on saattanut syntyä glutaminaasi-ja syntetaasidomeenien geenien fuusiosta). Cpsasella on kolme aktiivista toimipaikkaa, yksi pienessä alayksikössä ja kaksi suuressa alayksikössä. Pieni alayksikkö sisältää glutamiinin sitoutumiskohdan ja katalysoi glutamiinin hydrolyysiä glutamaatiksi ja ammoniakiksi, jota suuri ketju puolestaan käyttää syntetisoidakseen karbamoyylifosfaattia. Pienellä alayksiköllä on 3-kerroksinen beeta/beeta/alfa-rakenne, ja sen arvellaan liikkuvan useimmissa sitä kantavissa proteiineissa. Cpsaasin pienen alayksikön C-terminaalisella domeenilla on glutamiiniamidotransferaasiaktiivisuus. Suuressa alayksikössä on kaksi homologista karboksifosfaattidomeenia, joilla molemmilla on ATP-sitoutumispaikka; N-terminaalinen karboksifosfaattidomeeni katalysoi kuitenkin biokarbonaatin fosforylaatiota, kun taas C-terminaalinen domeeni katalysoi karbamaattiväliaineen fosforylaatiota. Karboksifosfaattidomeeni, joka on kahdentunut Cpsaasin suuressa alayksikössä, esiintyy myös yhtenä kopiona biotiiniriippuvaisissa entsyymeissä asetyyli-CoA-karboksylaasi (ACC), propionyyli-CoA-karboksylaasi (PCCase), pyruvaattikarboksylaasi (PC) ja ureakarboksylaasi.
bakteerien Kpsaasin suuressa alayksikössä on neljä rakenteellista domeenia: karboksifosfaattidomeeni 1, oligomerisaatiodomeeni, karbamoyylifosfaattidomeeni 2 ja allosteerinen domeeni. Escherichia colista peräisin olevat cpsase-heterodimeerit sisältävät kaksi molekyylitunnelia: ammoniakkitunnelin ja karbamaattitunnelin. Nämä alueidenväliset tunnelit yhdistävät kolme erillistä aktiivista aluetta ja toimivat johdimina epästabiilien reaktiovälitteiden (ammoniakki ja karbamaatti) kuljettamiseksi peräkkäisten aktiivisten alueiden välillä. Cpsaasin katalyyttiseen mekanismiin kuuluu karbamaatin diffuusio entsyymin sisäosan kautta suuren alayksikön n-terminaalidomeenin synteesipaikalta C-terminaalisen domeenin fosforylaatiopaikalle.