賴氨酸在第二個碳周圍有四個不同的基團，并且是不對稱結構。 此外，由于存在這種不對稱或手性碳原子，賴氨酸是一種光學活性氨基酸。 因此，賴氨酸可以產生立體異構體，這些立體異構體是具有相同分子式的異構分子，但它們的原子在空間的三維取向不同。對映異構體是通過反射相互關聯的兩種立體異構體，或者它們是彼此不可重疊的鏡像。

L-賴氨酸和D-賴氨酸是彼此的對映異構體，除了旋轉偏振光的方向不同外，它們具有相同的物理性質。它們具有不可疊加的鏡像關系。然而，D 和 L 的命名法在包括賴氨酸在內的氨基酸中并不常見。它們以相同的幅度但在不同的方向旋轉平面偏振光。使平面偏振光順時針旋轉的賴氨酸的 D-異構體稱為右旋或D-賴氨酸，使平面偏振光以逆時針方向旋轉的稱為左旋或L-賴氨酸。L-賴氨酸是穩定的賴氨酸形式。D-賴氨酸是賴氨酸的合成形式，可以通過外消旋化從 L-賴氨酸合成。它用于加工聚D-賴氨酸，用作涂層材料以增強細胞附著。L-賴氨酸在人體、鈣吸收、肌肉蛋白質發育以及激素、酶和抗體的合成中起著重要作用。在工業上，L-賴氨酸是通過使用谷氨酸棒桿菌的微生物發酵過程生產的。