牛乳及其制品是膳食中蛋白质、钙、磷、维生素A、维生素D和维生素B2的重要来源之一。鲜乳主要是由水、脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质、维生素等组成的一种复杂乳胶体，其中水分含量占86%~90%，因此其营养素含量与其他食物比较相对较低。牛乳的比重平均为1.032，比重大小与乳中固体物质含量有关。乳的各种成分除脂肪含量变动相对较大外，其他成分基本稳定，故比重可作为评定鲜乳质量的简易指标。
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。
乳中还有大量的生理活性物质，其中较为重要的有乳铁蛋白、球蛋白、生物活性肽、共轭亚油酸、酪酸、激素、生长因子和多种活性肽类等。生物活性肽是乳蛋白质在消化过程中经蛋白酶水解产生的，包括镇静肽、抗高血压肽、调节肽和抗菌肽。牛乳中乳铁蛋白的含量为20~200ug/mL，具有调节铁代谢、促生长和抗氧化等作用，经蛋白酶水解形成的肽片段具有一定的调节作用。