Dầu ô liu là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ, do đó không thể cung cấp một công thức hóa học duy nhất để đại diện cho nó. Phương pháp chiết xuất dầu từ ô liu, cùng với sự đa dạng và độ chín của ô liu được sử dụng, ảnh hưởng đến thành phần.
Phần lớn dầu ô liu được tạo ra từ chất béo trung tính, là chất béo có độ dài chuỗi cacbon khác nhau. Dầu chứa một lượng nhỏ axit béo tự do do sự phân hủy của chất béo trung tính. Chất màu là những chất hóa học tạo nên màu sắc của dầu. Mỗi lô dầu có các hợp chất hương vị hơi khác nhau. Ngoài ra, trong dầu còn có phosphatit và sterol. Mặc dù thành phẩm đã được lọc, nhưng vẫn có những mảnh ô liu cực nhỏ trong dầu.
