Carbamoyl fosfato sintase (CPSase) é um heterodimeric enzima composta de uma pequena e uma grande subunidade (com exceção de CPSase III, que é composto de um único polipeptídeo que podem ter surgido a partir de gene de fusão da glutaminase e sintetase domínios). CPSase tem três locais ativos, um na subunidade pequena e dois na subunidade grande. A pequena subunidade contém o local de ligação à glutamina e catalisa a hidrólise da glutamina ao glutamato e amoníaco, que é por sua vez utilizado pela grande cadeia para sintetizar o fosfato de carbamoílo. A pequena subunidade tem uma estrutura beta/beta/alfa de 3 camadas, e acredita-se que seja móvel na maioria das proteínas que a transportam. O domínio C-terminal da pequena subunidade da CPSase tem actividade de glutamina amidotransferase. A grande subunidade tem dois domínios homólogos de carboxi fosfato, ambos com ligações ATP; no entanto, o domínio N-terminal de carboxi fosfato catalisa a fosforilação do biocarbonato, enquanto o domínio C-terminal catalisa a fosforilação do intermediário carbamato. O domínio do fosfato carboxi encontrado duplicado na grande subunidade da CPSase também está presente como uma única cópia nas enzimas dependentes da biotina acetil-CoA carboxilase (ACC), propionil-CoA carboxilase (PCCase), piruvato carboxilase (PC) e ureia carboxilase.
a grande subunidade na CPSase bacteriana tem quatro domínios estruturais: o domínio do fosfato de carboxi 1, o domínio da oligomerização, o domínio do fosfato de carbamoílo 2 e o domínio alostérico. Os heterodímeros de Cpsase de Escherichia coli contêm dois túneis moleculares: um túnel de amônia e um túnel de carbamato. Estes túneis inter-domínios ligam os três locais activos distintos, e funcionam como condutas para o transporte de substâncias intermédias instáveis de reacção (amoníaco e carbamato) entre locais activos sucessivos. O mecanismo catalítico da CPSase envolve a difusão de carbamato através do interior da enzima a partir do local de síntese dentro do domínio N-terminal da grande subunidade para o local de fosforilação dentro do domínio C-terminal.