直接从奶牛身上挤出的牛奶含有蛋白质、乳糖、维他命、矿物质以及乳脂。然而，由下图可见，很明显地牛奶的主要成分其实是水。如果不算乳脂的话，牛奶中的固体物质可以称作为“非乳脂固体（milk solids not fat，或简称MSNF）”。目前法律上对绝大多数的乳制品的乳脂以及非入职固体都有最低含量的明确规定。

除了轻微的甜度，鲜牛奶的香气相对地温和。然而，随着乳制品中乳脂含量的提升，奶味就会变得越浓，这是因为奶香味主要来源于乳脂之中。

乳脂中也含有少量的乳化剂：卵磷脂（lecithin）以及单甘油酯（monoand diglycerides），这些都是类胡萝卜素（carotenoid）色素。类胡萝卜素给乳制品带来少许微黄色。但是，乳脂中的主要成分是甘油三酸脂（triglycerides，也就是脂肪分子（fat molecules）），其中尤其是饱和甘油三酸脂占多数。

虽然牛奶仅含有3.3%的蛋白质，但这些“微量”的蛋白质在牛奶的营养结构上扮演着非常重要的角色。这些蛋白质可以分为两类：酪蛋白（casein proteins）和乳清蛋白（whey proteins）。其中酪蛋白很容易在酸和酶的作用下凝固，凝固后的酪蛋白会以类似于凝固后的鸡蛋蛋白那样聚合成块。跟鸡蛋蛋白相仿，酪蛋白在凝固过程中会变稠、变胶状。这也是制作芝士、酸奶、酸奶油以及其他乳制品的基本原理。