牛奶有优良的蛋白质。牛奶中的蛋白质以酪蛋白为主，其次为乳清蛋白和乳球蛋白，这3种蛋白质含有全部的8种人体必需氨基酸，生理价值高，适于构成肌肉组织；乳清蛋白对婴几营养更为重要。植物蛋白所缺乏的蛋氨酸和赖氨酸牛奶中含量丰富。牛奶中啥有相当数量的色氨酸，有利于恢复大脑功能，同时色氨酸对提高人的思维能力的5-羟色胺这一脑信号传递物质是不可缺少的。因此常喝牛奶有利于健脑益智。
酪蛋白仅存在于奶中，它是牛奶的主要蛋白质，约占牛奶中总蛋白质量的酪蛋白使牛奶的颜色呈白色。酪蛋白的生物学价值比乳清蛋白稍低，是由于酪蛋白中缺乏含硫的氨基酸所致。乳清是从牛奶中提取酪蛋白和脂肪后剩下的液体，其中含有乳清蛋白。乳清蛋白是一种由许多蛋白质组成的复杂混合物，主要有乳球蛋白和a-乳白蛋白。乳清蛋白有相对多的含硫氨基酸。牛奶蛋白质的生物学价值为85，而谷物蛋白质只有50-65。
牛奶中的脂肪称为乳脂，乳脂是高度乳化的，有利于消化，因为脂肪必须在体温下成为液体或被乳化才能被消化吸收，而乳脂的溶点低于体溫，所以经乳化后才能被有效地利用，特别是对幼儿和老年人更是如此。