茶叶的成分主要有茶多酚类、植物碱、蛋白质、氨基酸、维生素、果胶素、有机酸、脂多糖、糖类、酶类、色素等。而铁观音所含的有机化学成分，如茶多酚、儿茶素、多种氨基酸等含量，明显高于其他茶类。
无机矿物元素主要有钾、钙、镁、钴、铁、铝、钠、锌、铜、氮、磷、氟、碘、硒等。铁观音所含的无机矿物元素，如锰、铁、氟、钾、钠等均高于其他茶类。
其中含有的儿茶素类，俗称茶单宁，是茶叶特有成份，具有苦、涩味及收敛性。在茶汤中可与咖啡因结合而缓和咖啡因对人体的生理作用。具抗氧化、抗突然异变、抗肿瘤、降低血液中胆固醇及低低密度酯蛋白含量、抑制血压上升、抑制血小板凝集、抗菌、抗产物过敏等功效。
茶叶还含有咖啡因，咖啡因是构成茶汤滋味的重要成份。红茶茶汤中，与多无酚类结合成为复合物；茶汤冷后形成乳化现象。茶中特有的儿茶素类及其氧化缩和物可使除中咖啡因的兴奋作用减缓而持续，故喝茶可使长途开车的人保持头脑清醒及较有耐力。
另外还含有矿物质，含有丰富的钾、钙、镁、锰等11种矿物质。茶汤中阳离子含量较多而阴离子较少，属于碱性食品。可帮助体液维持碱性，并且还含有维生素及其他机能成份。