茶叶的主要成分是无机物和有机物（依据含碳的多少来确定）。在茶叶的主要成分中，超过95%的部分是有机物，剩下的无机物部分不到5%。茶叶中含有大量的微量元素，比如我们平时所说的磷、钾、硫、镁、锰、氟等微量元素。
新鲜的茶叶中，80%的含量都是水分，晒干后水分含量比较低。茶叶中含有大量的叶蛋白，但是仅仅少部分叶蛋白能够溶于茶汤中（总量不超过5%），还有二十多种氨基酸（总量不超过5%）。另外，茶叶中也含有少量的脂肪。
茶叶含有许多种酚类化合物，其中含量最高、保健功效最大的就是茶多酚，茶多酚是茶叶中的精华活性成分，而茶氨酸仅存于茶叶中。
茶叶中还含有部分生物碱，如咖啡因、茶碱、可可碱、黄嘌呤、腺嘌呤等，这些生物碱在冲泡时可以溶解在水中。茶叶的苦味就是来源于咖啡因（其咖啡因的含量比咖啡豆更高）。茶叶中还含有香气成分，不同的茶品香气是不一样的。
茶叶中含有大量维生素，其中维生素E的含量比其他植物高。茶叶中还含有维生素A、维生素B1、维生素B2、维生素K、维生素P等，其中的B族维生素有软化皮肤，预防皮肤老化的作用，维生素可止血和预防坏血症。
另外，新鲜茶叶还含有叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素等，这些维生素在太阳照射下会分解，因此晒干后其有效成分会损失很多，茶汤的颜色和这些色素的含量有一定的关系。
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