每100克牛奶所含营养素如下：
热量 (54.00千卡) 、蛋白质(3.00克) 、脂肪(3.20克) 、碳水化合物(3.40克) 、维生素A (24.00微克) 、硫胺素(0.03毫克) 、核黄素(0.14毫克) 、尼克酸(0.10毫克) 、维生素C (1.00毫克) 、维生素E (0.21毫克) 、钙(104.00毫克) 、磷(73.00毫克) 、钠(37.20毫克) 、镁(11.00毫克) 、铁(0.30毫克) 、锌(0.42毫克) 、硒(1.94微克) 、铜(0.02毫克) 、锰(0.03毫克) 、钾(109.00毫克) 、胆固醇(15.00毫克) 。
牛奶的营养价值很高，牛奶中的矿物质种类也非常丰富，除了我们所熟知的钙以外，磷、铁、锌、铜、锰、钼的含量都很多。最难得的是，牛奶是人体钙的最佳来源，而且钙磷比例非常适当，利于钙的吸收。种类复杂，至少有100多种，主要成份有水、脂肪、磷脂、蛋白质、乳糖、无机盐等。
一般牛奶的主要化学成分含量如下：
牛奶(15张)水分：87.5%
脂肪：3.5--4.2%
蛋白质：2.8--3.4%
乳糖：4.6-4.8%
无机盐：0.7%左右
组成人体蛋白质的氨基酸有20种，其中有8种是人体本身不能合成的(婴儿为9种，比成人多的是组氨酸），这些氨基酸称为必需氨基酸。我们进食的蛋白质中如果包含了所有的必需氨基酸，这种蛋白质便叫作全蛋白。牛奶中的蛋白质便是全蛋白。
牛奶中的无机盐也称矿物质。牛奶中含有Ca2+、Mg2+、K+ 、Fe3+ 等阳离子和PO43-、SO42-、Cl-等阴离子；此外还有微量元素I、Cu、Zn、Mn等。大自然中的钙是以化合态存在的，只有被动、植物吸收后形成具有生物活性的钙，才能更好地被人体所吸收利用。牛奶中含有丰富的活性钙，是人类最好的钙源之一，1升新鲜牛奶所含活性钙约1250毫克，居众多食物之首，约是大米的101倍、瘦牛肉的75倍、瘦猪肉的110倍，它不但含量高，而且其中的乳糖能促进人体肠壁对钙的吸收，吸收率高达98%，从而调节体内钙的代谢，维持血清钙浓度，增进骨骼的钙化。吸收好对于补钙是尤其关键的。故“牛奶能补钙”这一说法是有其科学道理的。
对于中老年人来说，牛奶还有一大好处，就是，与许多动物性蛋白胆固醇较高相比，牛奶中胆固醇的含量较低，（牛奶：13毫克/100克；瘦肉：77毫克/100克）。值得一提的是，牛奶中某些成份还能抑制肝脏制造胆固醇的数量，使得牛奶还有降低胆固醇的作用。
牛乳的化学组成，因牛的种类、年龄、饲养方法、采乳时间， 生活及健康状况、气温等不同而各异。每100 g 牛乳含水份约87 g ，蛋白质3 .1 g，脂肪3 .5 g ，碳水化合物6 g ，灰分0 .7 g , 钙120 mg ，磷90 mg ，铁0 .1 mg , 硫胺素0 .04 mg , 核黄素0 .13 mg , 尼克酸0 .2 mg , 抗坏血酸1 mg , 维生素A140 IU。牛乳中的蛋白质主要是含磷蛋白质，也含白蛋白及球蛋白。此三种蛋白质都含全部必需氨基酸。牛乳的脂肪主要是棕榈酸、
硬脂酸的甘油酯， 也含少量低级脂肪酸如丁酸、己酸、辛酸等。此外，还含少量卵磷脂、胆甾醇、色素等。
牛奶具有补肺养胃、生津润肠之功效，对人体具有镇静安神作用，对糖尿病久病、口渴便秘、体虚、气血不足、脾胃不和者有益；喝牛奶能促进睡眠安稳，泡牛奶浴可以治失眠；牛奶中的碘、锌和卵磷脂能大大提高大脑的工作效率；牛奶中的镁元素会促进心脏和神经系统的耐疲劳性；牛奶能润泽肌肤，经常饮用可使皮肤白皙、光滑，增加弹性；基于酵素的作用，牛奶还有消炎、消肿及缓和皮肤紧张的功效；儿童常喝鲜奶有助于身体的发育，因为钙能促进骨骼发育；老人喝牛奶可补足钙质需求量，减少骨骼萎缩，降低骨质疏松症的发生概率，使身体柔韧度增加。
巴氏消毒奶———采用巴氏消毒法灭菌，需全程在4℃－10℃冷藏，较为流行。最大程度的保留牛奶中营养成分。保质期较短的牛奶多为巴氏消毒法消毒的“均质”牛奶，用这种方法消毒可以使牛奶中的营养成分获得较为理想的保存，是当今世界上最先进的牛奶消毒方法之一。
所谓的“均质”，是指牛奶加工中的新工艺，就是把牛奶中的脂肪球粉碎，使脂肪充分溶入到蛋白质中去，从而防止脂肪黏附和凝结，也更利于人体吸收。保质期一般在48小时以内，它们的营养价值与鲜牛奶差异不大，B族维生素的损失仅为10%左右，但是一些生理活性物质可能会失活。
常温奶———采用超高温灭菌法，能将有害菌全部杀灭，保质期延长至6个－12个月，无须冷藏。但营养物质会受很大损失。
还原奶———奶粉不得用于巴氏消毒奶，但常温奶、酸奶及其他乳制品可用，但必须标明原料为“复原乳”或“水和奶粉”。
生鲜牛奶———在许多发达国家，未经杀菌的生鲜牛奶是最受消费者欢迎的，但价格也最为昂贵。新挤出的牛奶中含有溶菌酶等抗菌活性物质，能够在4℃下保存24小时～36小时。这种牛奶无需加热，不仅营养丰富，而且保留了牛奶中的一些微量生理活性成分，对儿童的生长很有好处。
灭菌牛奶———不少生产厂家为了满足上班族的需要，生产出保存时间较长的百利包。保存时间较长的百利包牛奶在加工过程中已经全面灭菌，对人体有益的菌种也基本被“一网打尽”了，牛奶的营养成分因而也被破坏掉。这种牛奶的包装和鲜牛奶非常相像，保质期大部分是30天或更长时间，有些灭菌牛奶的保质期达6个月以上。灭菌奶一般味道比较浓厚，但是营养物质有一定损失，B族维生素有20%～30%的损失。
无抗奶———这个名词已经被大部分人所认识，但它不会出现在牛奶的外包装上，因为它是牛奶出厂的指标之一，一般知名厂家出厂的牛奶都应该达到这个标准。
无抗奶是指用不含抗生素的原料生产出来的牛奶。“抗”是指用来治疗病牛所用的各类抗生素，常见的有青霉素、链霉素等。奶牛在每年换季时易患乳腺炎，并且采用机械榨乳也比人工挤奶使乳牛更易患乳腺炎，向牛乳房部位直接注射抗生素，奶牛能尽快恢复健康。经过抗生素治疗的奶牛，在一定时间内产生的牛奶会残存着少量抗生素，这种奶不能作为食用奶原料进行加工生产。
水牛奶———水牛奶产量虽然较低，但奶中所含蛋白质、氨基酸，乳脂、维生素、微量元素等均高于黑白花牛奶。据国家有关科研部门测定，水牛奶质十分优良，可称得上是奶中极品，其价值相当于黑白花牛奶的二倍，最适宜儿童生长发育和抗衰老的锌、铁、钙含量特别高，氨基酸、维生素含量非常丰富，是老幼皆宜的营养食品。