NRPS mogą być traktowane jako duże białkowe kompleksy-fabryki o budowie modułowej, które w przeciwieństwie do rybosomów nie potrzebują matrycy mRNA jako informacji o sekwencji syntezowanego peptydu, ale są raczej stworzone do syntezy jednego konkretnego peptydu, zatem działają jak zwykłe enzymy (ich kompleks).
NRP często bywają związkami cyklicznymi często z dodatkowo rozgałęzioną strukturą. Mogą zawierać tak zwane aminokwasy „niebiałkowe”, czyli niekodowane standardowo w genomie: D-aminokwasy, aminokwasy modyfikowane N-metylacją i N-formylacją, czy też glikozylowane, acylowane, hydroksylowane, a nawet halogenizowane.
Cyklizacja nie zawsze jest efektem zamknięcia łańcucha wiązaniem peptydowym, ale bywa rozwiązana przez reakcję zamknięcia przez atomy tlenu czy siarki, które mogą podlegać dalszemu utlenianiu lub redukcji.
Czasami seryna jest modyfikowana przez dehydratację co skutkuje powstaniem dehydroalaniny.
NRP mogą być także dimerami albo trimerami identycznych sekwencji monomerowych, które są zamknięte w pierścień lub rozgałęzione.
Te i szereg innych modyfikacji zapewniają bardzo dużą rozmaitość tej klasy związków i pomimo tego, że zwykle składają się one z mniejszej ilości jednostek monomerowych (aminokwasów) niż przeciętne białko, po uwzględnieniu modyfikacji ich zmienność jest także bardzo wysoka.