牛奶含有一种CLA的物质，能有效破坏人体内有致癌危险的自由基，并能迅速和细胞膜结合，使细胞处于防御制癌物质侵入的状态，从而起到作用。牛奶中还含有多种能增强人体抗病能力的免疫球蛋白抗体，也有作用。
牛乳中蛋白质含量为2.8%~3.3%，主要由79.6%的酪蛋白、11.5%的乳清（白）蛋白和3.3%的乳球蛋白组成，另有少量的其他蛋白质，如免疫球蛋白和酶等。凡20℃下于pH4.6沉淀的牛乳蛋白被称为酪蛋白。酪蛋白是一种耐热蛋白质，但可在酸性条件下沉淀，酸奶和奶酪即是以这个原理制成的。在乳中酪蛋白与钙、磷结合，形成酪蛋白胶粒，并以胶体悬浮液的状态存在于牛乳中。乳清蛋白对热不稳定，加热时发生凝固并沉淀。牛乳蛋白质消化吸收率为87%~89%，生物学价值为85，属优质蛋白质。
乳类脂肪约为2.8%~4.0%，以微粒状的脂肪球分散在乳液中，呈很好的乳化状态，容易消化吸收，吸收率高达97%。牛乳中的脂类主要以甘油三酯为主，少量磷脂和胆固醇，乳脂肪中脂肪酸组成复杂，油酸占30%，亚油酸和亚麻酸分别占5.3%和2.1%，短链脂肪酸（如丁酸、己酸、辛酸）含量较高，约为9%，是乳脂肪具有良好风味及易于消化的原因。
牛乳中几乎含有人体所需的各种维生素，其含量与饲养方式、季节、加工方式等有关。如放牧期牛乳中维生素A、维生素D、胡萝卜素和维生素C含量较冬春季在棚内饲养明显增多。牛乳中维生素D含量较低，但夏季日照多时，其含量有一定的增加。总的来说，牛乳是B族维生素的良好来源，可以提供相当数量的核黄素、维生素B12、维生素A、维生素B6和泛酸。