Într-o ceașcă de ceai se ascunde multă chimie, rezultatul combinației unice dintre condițiile de cultivare a plantei, mediu, climă și procesare.
Personalitatea unui ceai se datorează compușilor din frunzele de ceai, responsabili de aspect, aromă și gust. În timpul procesării, frunzele de ceai trec prin schimbări care își lasă la rândul lor amprenta asupra a ceea ce va fi băutura din ceașcă.
Principalele substanțe din ceai sunt polifenolii, produși de plante pentru apărare împotriva insectelor și a animalelor. Când vine vorba de infuzii, polifenolii sunt responsabili de astringența ceaiului, adică acea senzație de ușoară amăreală. Polifenolii pot ajunge până la 40% din greutatea frunzei uscate de ceai, iar o ceașcă tare de infuzie poate avea până la 240 mg de polifenoli.
Se estimează că în ceai sunt circa 30.000 de compuși polifenolici. Aceștia sunt derivați din aminoacizi cu ajutorul luminii soarelui, așadar ceaiul cultivat la umbră are o concentrație mai mică de polifenoli și mai mare de aminoacizi. Mugurii și primele frunze de pe tulpină au cele mai mari concentrații de polifenoli, iar acestea scad la frunzele de mai jos.
Unele plante de ceai sunt umbrite în mod intenționat câteva săptămâni înainte de recoltare (cum este cazul matcha), pentru a crește cantitatea de aminoacizi din frunze. Plantele de ceai care sunt umbrite timp de 22 de zile conțin de 4 ori mai mulți aminoacizi decât cele neumbrite.
Dintre polifenoli se remarcă flavonoidele. Compușii din familia flavonoizilor numiți catehine reprezintă 27% din compoziția ceaiului verde (neoxidat). Datorită procesului de oxidare, aceasta este redusă în ceaiul negru la aproximativ 4%. EGCG (galatul de epigalocatechină) este un tip de catehine studiat pe scară largă pentru beneficiile sale pentru sănătate.
Pe lângă calitățile antioxidante, ceaiul este recunoscut pentru proprietățile stimulante care se datorează în principal cofeinei. Teobromina și teofilina sunt compuși similari cofeinei, care împreună cu aceasta contribuie la gustul amărui al ceaiului. Nivelul de cofeină diferă în funcție de sortimentul de ceai și de modul în care este preparată infuzia.
Un aminoacid important din frunzele de ceai este L-teanina, care induce o stare combinată de alertă și relaxare, reduce anxietatea mentală și contribuie la senzația de bine prin promovarea activității alfa cerebrale.
Alte substanțe prezente în ceai sunt enzimele, pigmenții, mineralele, vitaminele, carbohidrații și numeroase substanțe volatile.