牛奶属于胶体分散系。牛奶是由蛋白质颗粒和其水解产物的各种氨基酸组成的高分子胶体，同时牛奶中含有少量的乳糖小分子胶体。还有动物性的油脂在水中形成的乳浊液，其中含有极少量的无机盐，能在水中形成溶液。
牛乳及其制品是膳食中蛋白质、钙、磷、维生素A、维生素D和维生素B2的重要来源之一。鲜乳主要是由水、脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质、维生素等组成的一种复杂乳胶体，其中水分含量占86%-90%，因此其营养素含量与其他食物比较相对较低。牛乳的比重平均为1.032，比重大小与乳中固体物质含量有关。乳的各种成分除脂肪含量变动相对较大外，其他成分基本稳定，故比重可作为评定鲜乳质量的简易指标。
牛乳乳糖含量约为3.4%-5.4%。乳糖在肠道中能促进钙、铁、锌等矿物质的吸收，提高其生物利用率；促进肠道乳酸细菌，特别是双歧杆菌的繁殖，改善人体微生态平衡，促进肠细菌合成B族维生素。
有些人成年后多年不喝牛乳，体内的乳糖酶活性很低，不能分解乳糖，乳糖在肠道内被肠道微生物分解发酵，产生胀气、腹泻等症状，称为乳糖不耐症。这部分人群可以食用经乳糖酶处理的奶粉，或饮用酸奶。
