赖氨酸在第二个碳周围有四个不同的基团，并且是不对称结构。 此外，由于存在这种不对称或手性碳原子，赖氨酸是一种光学活性氨基酸。 因此，赖氨酸可以产生立体异构体，这些立体异构体是具有相同分子式的异构分子，但它们的原子在空间的三维取向不同。对映异构体是通过反射相互关联的两种立体异构体，或者它们是彼此不可重叠的镜像。

L-赖氨酸和D-赖氨酸是彼此的对映异构体，除了旋转偏振光的方向不同外，它们具有相同的物理性质。它们具有不可叠加的镜像关系。然而，D 和 L 的命名法在包括赖氨酸在内的氨基酸中并不常见。它们以相同的幅度但在不同的方向旋转平面偏振光。使平面偏振光顺时针旋转的赖氨酸的 D-异构体称为右旋或D-赖氨酸，使平面偏振光以逆时针方向旋转的称为左旋或L-赖氨酸。L-赖氨酸是稳定的赖氨酸形式。D-赖氨酸是赖氨酸的合成形式，可以通过外消旋化从 L-赖氨酸合成。它用于加工聚D-赖氨酸，用作涂层材料以增强细胞附着。L-赖氨酸在人体、钙吸收、肌肉蛋白质发育以及激素、酶和抗体的合成中起着重要作用。在工业上，L-赖氨酸是通过使用谷氨酸棒杆菌的微生物发酵过程生产的。