消毒鲜奶和灭菌奶中蛋白质、乳糖、矿物质等营养成分含量基本上与原料乳相同，仅B族维生素有少量损失，但消毒奶的保存率通常在90%以上，灭菌奶也在60%以上，维生素C损失较大，但因它不属于牛奶中的重要营养物质，故而对奶制品的营养价值影响不大，市售消毒牛奶常强化维生素A和维生素D，使它成为这两种营养素廉价、方便的食物来源之一。
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。