Хімічний склад чаю залежить від сорту чайної рослини, умов його вирощування, часу збору та інших чинників. Середній хімічний склад чорного байхового чаю такий (%): вода – 8,5; білки – 20,0; моно- і дисахариди – 4,0; клітковина – 11,0; мінеральні речовини – 5,5; органічні кислоти (у перерахунку на яблучну кислоту) – 1,2. Крім того, в чаї містяться фенольні сполуки, ефірні масла, алкалоїди,вітаміни, пігменти, пектинові речовини і ферменти.
Якість чайного напою оцінюється вмістом в ньому водорозчинних екстрактних речовин, який залежно від виду чаю і його сорту змінюється від 28 до 35%. Чим вищий сорту чаю, тим більший в ньому вміст водорозчинних екстрактних речовин.
В процесі отримання чаю окремі складові чайної рослини зазнають змін. Чайний листок містить 75-80% вологи, тоді як вологість зеленого і чорного байхового чаю складає 7-8%, а плиткового чорного і зеленого чаю у вигляді цеглин - відповідно 9 і 12%.
Найважливішою групою речовин, що містяться в чайному листку і чаї і визначає його особливості як напою, є фенольні сполуки, представлені таніно-катехіновою сумішшю. Вміст цих сполук досягає 25-30% у перерахунку на суху масу чайного листка, причому основну кількість (до 70%) складають катехіни. Катехіни укріплюють стінки кровоносних капілярів, знижуючи їх проникність і збільшуючи еластичність, володіють судинорозширювальною дією. Накопичення катехінів відбувається в бруньках і першому листку чайної рослини, особливо в середині літа, тому ця сировина є найбільш цінною для виробництва чорного чаю. При ферментативному окисленні фенольних сполук, в першу чергу катехінів, під дією поліфенолоксидази і пероксидази утворюються речовини, що надають приємного слабов’яжучого смаку, терпкості і яскравого кольору чайному напою.
Вітамін Р, що міститься в чайному настої, сприяє кращому засвоєнню вітаміну С і його накопиченню в організмі. Обидва ці вітаміни виконують функцію антиоксидантів, зв’язуючи вільні радикали в організмі людини. Продукти окислення фенольних сполук володіють набагато меншою Р-вітамінною активністю. В цьому відношенні найбільш цінний зелений чай, в якому вміст катехінів вищий, ніж в чорному. Вміст катехінів (мг/г сухої маси) в зеленому чаї складає 110-220, в чорному – 25-80.
Зелений чайний листок містить значну кількість вітаміну С, поступаючись в цьому відношенні лише деяким сортам шипшини. У зеленому чаї міститься більше вітаміну С, ніж в чорному, оскільки при ферментації значна його частина втрачається. Іншим важливим компонентом є вітамін К, що підвищує здатність крові до згортання. Крім того, чай містить вітаміни В1, В2, РР, пантотенову кислоту і вітамін Е.
Важливе значення в утворенні аромату чаю мають ефірні олії, що є сумішами різних органічних сполук: вуглеводів, альдегідів, кетонів, спиртів, кислот, фенолів. У чайній рослині найбільша кількість ефірних олій міститься в бруньках, першому і другому листку. Вміст ефірних олій вчайному листку різко збільшується при його зав’ялюванні і особливо при скручуванні і дещо знижується в напівфабрикаті, залишаючись в той же час набагато вищим порівняно із зеленим листком. Окремі компоненти чайної ефірної олії можуть мати запах троянди, меду, лимону, жасмину, зумовлюючи в комплексі аромат напою.
До складу чайного листка також входять алкалоїди: кофеїн, теобромін і теофілін, які чинять збудливу дію на організм людини. Вміст кофеїну, який накопичується у всіх наземних органах рослини, і особливо в молодому листку, може досягати 3-5% на АСР. Сумарна кількість теоброміну і теофіліну не перевищує 0,6-0,8%. Високий вміст кофеїну вказує на хорошу якість чаю: високосортний чай містить 3-4% кофеїну, а чай з грубої сировини – до 1%. При переробці чайного листка вміст кофеїну дещо знижується, оскільки він вступає в реакцію з фенольними речовинами, зокрема з таніном, утворюючи сполуки, що викликають помутніння міцного чаю після його охолодження.
Кофеїн чаю знімає втому, підвищує розумову і фізичну активність, стимулює роботу серця, головного мозку, органів дихання. Проте по силі дії він слабкіший, ніж кофеїн кави. Тому вживання чаю не викликає серцебиття, безсоння. Інші алкалоїди чаю чинять мінімальний вплив на організм порівняно з кофеїном.
Розчинні у воді вуглеводи в чаї представлені в основному глюкозою, фруктозою, сахарозою, рафінозою, стахіозою, а нерозчинні – клітковиною, целобіозою і незначною кількістю (менше 1%) крохмалю. Цукри чайного листка відіграють важливу роль в утворенні смаку, зовнішнього вигляду і аромату чаю, оскільки при підвищеній температурі взаємодіють з амінокислотами і утворюють альдегіди з різними запахами (квітковим, фруктовим, медовим). Нерозчинні вуглеводи чаю погіршують його якість. Пектинові речовини чайного листа представлені як в розчинною, так і нерозчинною у воді формою. Високоякісний чайний лист, зібраний в липні-серпні, містить значну кількість (до 2,0-3,5%) розчинних пектинових речовин. В процесі отримання чаю кількість розчинних пектинових сполук знижується до 1,5-2,0%.
Чайний лист містить білки, причому в ніжних листках кількість білка може досягати 30%, а в зрілому листку вміст білка значно нижчий. При переробці листка, особливо в процесі зав’ялювання і при подальшій обробці, відбувається гідроліз білкових речовин з утворенням амінокислот, які разом з цукрами приймають участь в утворенні смаку і аромату чаю при ферментації і висушуванні чайного листа. В процесі висушування білки денатурують.
Пігменти чайного листа представлені хлорофілом, каротиноїдами і флавоноїдами. Хлорофіл – складова частина зеленого листя, відіграє центральну роль в реакціях фотосинтезу. В процесі переробки чайного листка при виробництві чорного чаю значна частина хлорофілу руйнується. Вміст зелених пігментів в готовому чаї погіршує його якість, оскільки додає настою зеленуватий колір, трав’янистий присмак. Каротиноїди містяться в чайному листі в набагато меншій кількості, ніж хлорофіл, їх окислення веде до утворення альдегідів, що впливають на аромат чорного чаю. Флавоноїди чайного листа також впливають на аромат чаю, оскільки при їх розпаді йде утворення ароматичних речовин (спиртів, альдегідів). Більше всього флавоноїдів міститься в ніжному листічайної рослини.
У чайному листі присутні органічні кислоти (яблучна, щавлева, лимонна, бурштинова, піровиноградна); їх кількість змінюється залежно від віку рослини і якості листка, а також від стадії переробки. Високий вміст органічних кислот погіршує смак чаю.
З мінеральних речовин в чайному листку і чаї найбільше сполук калію (приблизно половина від загальної кількості), високий вміст сполук фосфору, заліза, кальцію, магнію. Крім того, чай містить фтор, йод та інші елементи. У міру старіння чайного листка загальна кількість мінеральних речовин збільшується, а найбільш цінна розчинна частина – зменшується.