牛奶的主要成分为水、脂肪、蛋白质、乳糖和矿物质，其微量成分为维生素、酶类、类脂、色素、激素及生长因子、有机酸、气体和体细胞等。20世纪60年代确定牛奶中的化学成分约为250种；现代科研揭示，牛奶是由约3000种化合物构成的混合物。牛奶中除去水分和气体所剩余的物质称为乳干物质或乳总固形物，非脂乳固形物（SNF）是指除脂肪以外的固形物含量。牛奶是一种组成复杂、结构有序、具有胶体溶液特征的生物营养溶液。

化学上把物质以很小颗粒分散到另一种物质中去时，被分散的物质称为分散质，如牛奶中的乳糖和无机盐等，把接纳分散质的物质称分散剂，如水。由分散质和分散剂组成的混合体系称为分散系。牛奶是由四种分散系组成的混合物：（1）粗分散系（粒子直径50～100nm的蛋白质等固体微粒构成的悬浊液）；（2）胶体溶液（细分散系，粒子直径1～100nm）；（3）分子溶液；（4）离子溶液。