Толстые филаменты состоят из молекул миозина . Молекулы миозина , представляют собой нити, имеющие две шаровидные головки. В молекуле миозина имеются два "шарнира", первый - между гидрофобным "стволом" и гидрофильной "шейкой", другой - между "шейкой" и "головками". Миозиновые молекулы, соединяясь своими гидрофобными стволами, образуют стержень толстого миофиламента, из которого выступают шейки и головки, формирующие шесть спиральных рядов. На головке миозина имеется специальный участок, связывающий АТФ. Два стержня соединены между собой стволами, образуя участок, лишенный шеек и головок. Каждый миозиновый филамент окружен шестью актиновыми .

В центральной части саркомера вдоль его оси расположены миозиновые биполярные филаменты, длиной около 1.6 мкм и толщиной около 15 нм. Они называются также толстыми филаментами . На поперечном срезе видно, что миозиновые филаменты располагаются на равном расстоянии друг от друга, образуя гексагональную решетку. Концы тонких и толстых филаментов перекрываются. При этом тонкие филаменты находятся в промежутках между толстыми, равномерно окружая их.

Кроме миозина природные толстые филаменты содержат или ассоциированы с C-белком , H-белком (белок 86 кД), M-белком , миомезином ,  титином , АМФ-дезаминазой , скелемином .