牛奶中各主要成分的含量因牛种和品种（遗传因素）、年龄和胎次、泌乳阶段和季节、饲养管理条件、产奶水平和挤奶技术，以及奶牛的个体特征和健康等有一定的差别。
乳脂肪是牛奶及乳制品中最重要的成分之一。含热能高，又含有一定数量的必需脂肪酸，且是维生素A、D、E、K的载体，与乳制品的组织结构、状态和风味有密切关系。 乳蛋白质含量是牛奶最重要的质量指标之一，对于制造干酪和酸奶等乳制品的原料奶尤其重要，国家规定，只有蛋白质含量≥1%的饮品才允许称为含乳饮料。乳蛋白质可分为酪蛋白、白蛋白、球蛋白和脂球膜蛋白等，酶类的化学本质亦是。牛奶中的酶有来自母牛乳腺组织、血浆及白细胞的，称为原生酶；有来自微生物代谢产物的，称为细菌酶。有几种酶被用来控制和检验牛奶质量，最重要的有过氧化氢酶、酌酸酶和解脂酶等。牛奶中的酶对牛奶加工和乳品保存等方面都有影响。乳糖仅存在于哺乳动物的乳中。1g乳糖在机体内释放热能16.7kJ，乳糖约占牛奶总热量的25%～30%。它还有促进Ca、P等吸收，以及参与机体组成和细胞活动等功能。据报道，85%～92%的成年黄种人肠乳糖酶活性甚低，食用含多量乳糖的牛奶后，会出现腹胀、腹痛甚至腹泻等现象，称为乳糖不耐受症（Lactoseintolerance）。 科技人员已研制出低乳糖牛奶和发酵乳制品等产品来满足这部分人享用牛奶。
牛奶中含有多种维生素，如维生素A、D、E、K、B1、B2、烟酸、维生素B6、B12、泛酸、叶酸、生物素和维生素C等。牛奶中含量超过0.01%的矿物质元素称常量元素或宏量元素，如钠（Na）、氯（CL）、钙（Ca）、磷（P）、镁（Mg）、硫（S）等；微量元素有铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、硒（Se）、钴（Co）、铬（Cr）、钼（Mo）、碘（I）、氟（F）、镍（Ni）、钒（V）、硅（Si）、锡（Sn）等。牛奶中维生素和矿物元素的含量随牛的品种、遗传、环境、季节、饲料和饮水、放牧土地、饲料添加剂和牛奶被加工的条件等因素的影响而变化。
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