Çay, saf bir bileşiğin kendisinden ziyade farklı bileşiklerin bir karışımı olduğundan, çayın bütün kimyasal parçalanması öngörülemez değildir. Bunun yerine, bir demlenmiş çay deminde binlerce farklı molekül vardır ve bu da çayları farklı kılar.
Çaydaki en kolay tanınan ve aranan kimyasal maddelerden biri kafeindir. Doğal olarak çoğu çay yaprağında çeşitli konsantrasyonlarda bulunur. Çay, biyokimyasal bileşiklerinin bitki yapraklarını sıyırma yoluyla yapıldığı için, çayın kendisinde birçok farklı türde vitamin, mineral, protein, şeker, yağ ve hatta nükleik asit bulunur.
