牛奶除不含纖維素外，幾乎含有人體所需各種營養物質，其蛋白質的含量為3.5—4%。其蛋白質的組成以酪蛋白為主，其次為乳蛋白、乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白和酶等，能有效地供應人體之必需。牛奶蛋白質的生理價值可與蛋類相媲美，是賴氨酸、蛋氨酸含量較高的優質蛋白，補充了各類蛋白質胺基酸組成的不足。牛奶中膽固醇含量並不高，其中含有的乳清酸還可降低血清膽固醇。因而，高血脂、心腦血管病患者適量喝奶大可不必擔心會加重病情。
牛奶的脂肪含量為3—4%，其脂肪顆粒很小，呈高度分散狀態，因而消化吸收率高。乳脂中還含有亞油酸、卵磷脂及少量膽固醇。牛奶中的碳水化合物為4—6%，主要為乳糖。乳糖有調節胃酸，促進胃腸蠕動和消化腺的分泌作用，並可促進乳酸稈菌的繁殖，抑制致病菌及腐敗菌的生長，有利於腸道內正常菌群的活動與繁殖。奶中鈣、磷、鉀等微量元素含量豐富，每升牛奶可提供1200mg的鈣，且極易被人體吸收利用，多喝牛奶比每天口服鈣片更易吸收，更少胃腸道刺激，是補充兒童鈣質的最好來源，也是預防中老年骨質疏鬆症的最佳食補，並有效地維持了人體酸鹼的平衡。
牛奶不宜煮沸時間太久，否則牛奶中呈膠體狀的蛋白微粒會從溶膠變成凝膠狀態，磷酸鈣會從酸性變成中性而發生沉澱，其中的乳糖因焦化而分解為乳酸和少量甲酸，使其色、香、味降低。但牛奶也不宜生食，因在擠奶、運輸過程中難免污染，如大腸桿菌、布氏桿菌、結核桿菌、痢疾桿菌、鏈球菌等均可能存在其中，而成為致病源，因而煮沸消毒很有必要。
牛奶還有許多醫療作用，如常年胃痛，空腹喝可有效地保護胃黏膜達到止痛的功效。電焊工若被電光刺激患了電光性眼炎以鮮奶滴眼便可痊癒。汞砷中毒可以牛奶灌胃使毒物沉澱，減少吸收避免胃黏膜被毒物腐蝕。睡前喝一杯牛奶可使人安然入睡，顯著提高睡眠質量。
經殺菌消毒，接種乳酸桿菌後發酵而製成的優酪乳更有其獨特醫療價值，優酪乳可刺激胃酸分泌，增強胃腸消化功能，促進人體新陳代謝，對肝病、胃腸道疾病及久病體衰者，嬰幼兒最為適宜，長期食用可延年益壽。