茶的主要成分是无机的和有机的(根据碳的含量确定)。在茶叶的主要成分中，95%以上的成分是有机成分，其余的无机成分不到5%。茶叶含有大量的微量元素，如磷、钾、硫、镁、锰、氟等微量元素。
在新鲜茶叶中，80%的含量是水，在晒干后相对较低。茶叶含有大量的叶蛋白，但只有一小部分叶蛋白可以溶解在茶汤中(总量不超过5%)，并且有20多种氨基酸(总量不超过5%)。此外，茶还含有少量脂肪。
茶叶含有多种酚类化合物，其中茶多酚含量最高，保健作用最大。茶多酚是茶叶中必不可少的活性成分，而茶氨酸只存在于茶叶中。
茶还含有一些生物碱，如咖啡因、茶碱、可可碱、黄嘌呤、腺嘌呤等。酿造时，这些生物碱可以溶解在水中。茶的苦味来自咖啡因(咖啡因的含量高于咖啡豆)。茶叶还含有香气成分，不同的茶叶产品香气不同。
茶叶含有大量的维生素，其中维生素E的含量高于其他植物。茶叶还含有维生素A、维生素B1、维生素B2、维生素K、维生素P等。其中，维生素B具有软化皮肤和防止皮肤老化的作用。维生素可以止血和预防坏血病。
此外，新鲜茶叶还含有叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素等。这些维生素会在阳光下分解，所以它们的有效成分在阳光下干燥后会大量流失。茶汤的颜色与这些色素的含量有一定的关系。