Vì trà là hỗn hợp của các hợp chất khác nhau, chứ không phải là hợp chất nguyên chất, nên không thể đoán trước được sự phân hủy hóa học đầy đủ của trà. Không có một công thức hóa học nào để mô tả tất cả các loại trà. Thay vào đó, có hàng ngàn phân tử khác nhau trong một giọt trà đã pha, làm cho tất cả các loại trà khác nhau.
Một trong những hóa chất dễ nhận biết nhất và được tìm kiếm nhiều nhất trong trà là caffeine. Nó tồn tại tự nhiên trong hầu hết các lá trà với nhiều nồng độ khác nhau. Vì trà được làm bằng cách tước bỏ các hợp chất sinh hóa của lá cây nên bản thân trà có chứa nhiều loại vitamin, khoáng chất, protein, đường, chất béo và thậm chí cả axit nucleic.
