儿茶素的学名是黄烷醇，它占茶叶干重的12-24%，占茶多酚的60-80%。它是构成绿茶品质和功效的最重要的化学成分。茶叶的优良品质与儿茶素的含量及其存在形式有很大关系。现已发现12种茶叶，其中6种含量较高。儿茶素可分为简单儿茶素(游离儿茶素)和酯型儿茶素。其中，简单儿茶素涩味弱，无苦味，口感清爽。酯型儿茶素具有很强的涩味和苦味，其在茶多酚中的含量很高，占儿茶素总量的70-80%。一般来说，含有更多儿茶素的茶汤味道更浓。
在绿茶中，儿茶素赋予绿茶强烈的味道，使绿茶变得苦涩。如果绿茶中的儿茶素含量太低，味道就淡了。儿茶素含量太高，味道太苦，所以儿茶素含量高的新鲜茶叶一般不适合制作绿茶。研究发现，茶多酚及其主要氧化物是绿茶汤色的主要物质。例如，类黄酮是溶解在水中的从绿色到黄色的成分，并且是形成绿茶汤色的主要成分。儿茶素的主要氧化物，如邻醌，是一种黄色物质，形成绿茶汤颜色的黄色部分。邻醌还可以与氨基酸结合形成芳香物质。
在红茶中，儿茶素在酶的作用下通过一系列变化产生一些有色物质。首先，它被氧化成邻醌。邻醌被浓缩成橙色茶黄素，它具有很强的收敛性。水溶液为橙黄色，这是红茶汤的主要黄色色素。它也是形成红茶汤味道的新鲜度、强度和亮度的重要物质，是形成红茶汤“金环”的最重要成分。茶黄素进一步氧化为茶红素，茶红素是茶汤中红色物质的主要成分，具有强烈的刺激性和收敛性，是茶汤浓缩的重要成分。茶红素继续氧化产生茶褐色，茶汤颜色变暗，这是过度发酵的象征。茶红素与蛋白质结合形成不溶于水的棕红色化合物，这是形成叶底颜色的主要物质。原醌还可以与蛋白质结合产生水不溶性蛋白质儿茶素，它成为红茶底部的一种成分。
儿茶素和茶黄素还具有调节血管壁通透性、增强血管壁弹性、抑制动脉硬化、解毒、止泻和抗菌的药理作用。
茶树芽叶中儿茶素的含量因茶树品种而异。一般来说，大叶茶树芽叶中的儿茶素含量高于小叶茶树芽叶中的儿茶素含量。对于茶树来说，幼叶的儿茶素含量高于老叶。