茶叶中含水分75%，这也就是“4斤鲜叶1斤茶”的科学依据。而茶叶中的水溶性物质为30%-48%，其主要化学成分包括茶多酚类、生物碱类、氨基酸类、糖类、有机酸等，它们构成了茶叶的品质和滋味。
多酚类物质 多酚类物质广泛存在于自然界中，被人们所熟知的有茶多酚、苹果多酚、葡萄多酚等，因其良好的抗氧化功能，被广泛运用在化妆品、药品等领域。
茶多酚是形成茶叶色香味的主要成份之一，也是茶叶中有保健功能的主要成份之一。它含量高、分布广、变化大，对茶叶品质的影响最显著。茶多酚包括儿茶素类、花色苷类、黄酮类、黄酮醇类和酚酸类等，其中以儿茶素类化合物含量最高、最为重要。研究表明，喝下一杯茶半小时后，血中的抗氧化容量（对抗氧自由基的能力）增加41%-48%，并能在高水平状态持续一个半小时。
多酚类物质约占鲜叶干物质总量的1/3，占茶汤浸出物总量的3/4，性质极其活泼，容易在外界条件下发生一系列化学反应，生成一些新的化学物质，影响着各类茶叶的品质，所以茶多酚的氧化程度是各种茶类分类的重要依据之一。
多酚类物质是茶叶中水溶性色素的主要部分，是茶汤色泽的主体，也参与干茶色泽的组成；同时，引起茶叶中涩味的主要成分是多酚类化合物及其氧化产物、醛、铁等物质,其中儿茶素类在涩味的呈现里起到尤为重要的作用。
茶叶氨基酸 茶叶中的氨基酸主要有茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等20多种，其中茶氨酸是形成茶叶香气和鲜爽度的重要成分，约占茶叶中游离氨基酸的50%以上。其水溶物主要表现为鲜味、甜味，可以抑制茶汤的苦涩味。日本已在1964年将茶氨酸作为食品添加剂。
茶氨酸的来源除了从茶叶中提取外，还可利用生物合成、化学合成等途径来制取。因为茶氨酸具有降压安神、改善睡眠、促进大脑功能等功效，茶氨酸已用做保健食品和药品原料。
1. 儿茶素类 Catechins（黄烷醇类化合物）：茶单宁，约占干物质的 12% 至 24%
茶多酚的主要成分，大量存在于茶树的新梢中，是茶之苦（味觉）和涩（口腔里干燥、收敛性的感觉）的主要来源，也决定了茶汤的浓淡。其氧化（含工艺发酵、自然转化）后产生茶黄素、茶红素，决定茶叶和茶汤的颜色，以及茶汤的厚度和强度。
在工艺发酵和自然陈化的过程中，复杂（酯型）儿茶素降解为简单（非酯型）儿茶素，苦涩感会降低，茶汤也更加醇和、爽口；而且其降解过程会引发茶叶中其他内含物质变化，进而产生香气的变化。
2. 黄酮类 Flavones：花黄素，约占干物质的 2% 至 5%
黄酮醇 Flavonol（山奈素、槲皮素、杨梅素等）约占干物质的 4%，黄酮苷 Flavone Glycosides（黄酮或黄酮醇与糖结合形成苷，芸香苷、槲皮苷、山奈苷等）约占干物质的 1%。黄酮类化合物之味苦涩，是形成绿茶汤色的主要物质之一（尤其是黄酮苷）。黄酮苷在制茶过程中因热和酶的作用发生水解，转变成黄酮或黄酮醇，会降低苦味。
在工艺发酵和自然陈化的过程中，黄酮类发生氧化，令茶汤转为橙黄或棕红色。
3. 花青素类 Anthocyanidin：约占干物质的 0.01%，紫芽茶可达 0.5% 至 1%
属于类黄酮类，味极苦，是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一，抗氧化剂。
4. 花白素类 Leucoanthocyanidin：隐色花青素，约占干物质的 2% 至 3%
在工艺发酵和自然陈化的过程中，花白素可完全氧化，成为有色产物。
5. 酚酸类 Phenolic Acids 及缩酚酸类 Depside ：约 占干物质的 5%
是茶树合成酯型儿茶素所需的物质；酯型儿茶素在制茶过程中水解产生酚酸类，参与茶汤滋味的形成。
嘌呤类生物碱 Purine ?Alkaloid
兴奋中枢神经，约占干物质的 3% 至 5%
1. 咖啡碱 Caffeine：咖啡因，茶的特征性化学物质之一，约占干物质的 2% 至 4%
味苦，含量高于咖啡（约含咖啡碱 0.8% 至 1.8%）和可可（约含咖啡碱 0.007% 至 1.7%）。咖啡碱与儿茶素及其氧化物（茶黄素、茶红素等）在茶汤温度下降的过程中形成缔合物，缔合分子不断增多，缔合物颗粒直径增大，表现出胶体特征，提升鲜爽口感。
茶叶越嫩，咖啡碱含量越高，夏茶比春茶含量高。咖啡碱可刺激胃液分泌，并利尿；还会促进脂肪燃烧、提高体温、促进出汗。
过量摄入咖啡碱有害，并容易引发骨质疏松；由于茶叶中的茶多酚、茶氨酸等成分对咖啡碱有协调效果，喝茶的不良反应弱于喝咖啡。
2. 可可碱 Theobromine：约占干物质的 0.05%
略有苦味，四至五月含量最高。
3. 茶叶碱 Theophylline：可可碱的同分异构体，约占干物质的 0.002%
味苦，利尿。
氨基酸---约占干物质的 1% 至 4%
形成汤色、香气、滋味的重要成分之一；其中的茶氨酸 Theanine（约占干物质的 1% 至 2%）缓解苦涩、增强甜度，令人放松和平静；在厌氧或受伤情况下，茶叶细胞会大量产生具有安神作用的 γ-氨基丁酸 Gamma Aminobutyric Acid（GABA）。
茶多酚，是茶叶中所含的一类多羟基类化合物，主要化学成分为儿茶素类(黄烷醇类等化合物的复合体。其中儿茶素类化合物为茶多酚的主体成分，占65%~80%。分脂型儿茶素和非脂型儿茶素。
脂型儿茶素亦称"复杂儿茶索"。一类茶儿茶素。含量占儿茶素总量的60%~75%，茶叶干重的12%~15%。具有较强的苦涩味和收敛性，是茶汤的主体呈味成分，易被氧化。非脂型儿茶素亦称"简单儿茶索"。含量占儿茶素总量的23%~25%，茶叶干重的4%~8%。其苦涩味较弱，收敛性较小，但对茶汤滋味有一定影响。若与酯型儿茶素组合适当，能产生良好味感。
茶叶中生物碱的测定最早采用滴定法, 此法也是测定生物碱的经典方法，1949 年 Fungairino L 等报道了用重铬酸钾滴定测定茶叶、咖啡中的黄嘌呤碱。1956 年 Fleischer G.等首次采用纸层析法, 分离鉴定了茶叶中咖啡碱、可可碱、茶碱、anthine、3-甲基黄嘌呤、3, 8- 二甲基黄嘌呤和腺嘌呤。随后国内外专家、学者在茶叶生物碱( 主要是茶叶咖啡碱、可可碱和茶碱) 的测定方法研究方面作了许多工作, 归纳起来茶叶中生物碱的测定方法主要有：分光光度法、近红外光谱法、薄层色谱法、液相色谱法、毛细管电泳法和质谱法等 。 紫外可见分光光度法具有色散波长范围宽、本低、操作简单、样品易于制备和保存等优点，可用于茶叶生物碱的总生物碱含量测定；但由于存在灵敏度低、样品量大、分辨率不高等缺点，对各种结构相近的嘌呤生物碱分辨较为困难，因此单独应用于茶叶生物碱的检测已越来越少。
随着现代分析检测技术的发展，对茶叶生物碱的检测主要采用高效液相色谱HPLC、薄层色谱TLC、气像色谱 GC、毛细管电泳CE等色谱法。其中 HPLC 具有分离效能高、分离速度快等优点，作为生物碱含量测定的通用方法，是茶叶生物碱等活性成分测定中应用最为广泛的方法之一，其中反向高效液相色谱法分离效果好，应用最多。TLC 是一种开放系统的色谱，受外界影响因素较多，可能有较大的实验误差，使得实验的难度提高而且重现性较差，但其具有经济、快速、操作简单等优点，而且能较好地检出个别植物中微量的甲基黄嘌呤类生物碱。GC 具有分离时间短、经济、分析成分多等优点，但却有精密度和重现性相对较差等缺点，且在定性分析时需要已知样品或数据的色谱峰进行对照，在定量分析时需要已知纯样品检测后输出的信号进行矫正，因此已经较少单独用于茶叶生物碱等成分的测定。CE具有分离效率高、分析速度快、试剂用量少和成本低等优点；早期CE在茶叶有效成分检测中主要采用光检测法，有报道利用电化学检测器法，可以提高灵敏度，快速、简便并可同时测定茶叶中各种成分的含量 。
随着色谱-质谱联用等技术的迅速发展, 包括液相-质谱联用、气象-质谱联用、毛细管电泳-质谱联用、薄层色谱-质谱联用等，尤其是前两者的应用愈加广泛，这类技术集色谱的分离能力和质谱的高灵敏、高专属性于一体，成为分析检测的重要工具，现开始广泛应用于茶叶生物碱的分析检测中，使分析检测的精密度和灵敏度都得到了很大程度的提高。
除了上述各种分析检测技术外，荧光免疫测定、近红外光谱法等也开始应用于茶叶生物碱等化合物含量测定等领域。
