L'huile d'olive est un mélange de diverses substances, dont la composante principale est les triglycérides. Ceux-ci sont responsables de la sensation « grasse » que l'huile d'olive nous laisse dans la bouche et au toucher. La décomposition des triglycérides en acides gras libres (saturés, poly-insaturés/oméga 6 et 3 et monoinsaturés/oméga 9) contribue à l'acidité de l'huile d'olive. Plus l'acidité est faible, meilleure est la qualité de l'huile d'olive. Les hydrocarbures, principalement le squalène, apportent des antioxydants à l'huile d'olive.

• Les phénols sont une autre classe d'antioxydants naturels. Ils sont responsables du goût amer et des sensations de « brûlures » dans la gorge (huile d'olive fraîche ou huile d’olive verte produite par des olives récoltées avant maturation).
• Les stérols : le bêta-sitostérol, notamment, prédomine dans l'huile d'olive. Il a des capacités hypocholestérolémiantes.
• Les tocophérols donnent de l'énergie vitaminique. Ils font aussi partie des antioxydants naturels de l'huile d'olive.
• Les pigments : à l'origine de la couleur particulière de l'huile d'olive, chlorophylle et divers caroténoïdes.
• Les alcools terpéniques, érythrodiol et uvaol dont le pourcentage est un facteur de différenciation entre l'huile d'olive et l'huile de grignons.
• Phospholipides, principalement la lécithine.
• L’oleuropéine, qui donne à l'huile d'olive son goût amer. Sa quantité varie selon la variété d'olive, le climat et le mode d'extraction. Elle a des effets digestifs, antihypertenseurs, antibiotiques, anti-inflammatoires.
• Vitamines E et K.