Polifenoller, zeytinyağında bulunan güçlü antioksidan bileşiklerdir. Kimyasal yapıları fenolik gruplar içerir ve hücrelerde oksidatif stresi azaltarak yaşlanma ve kronik hastalıklara karşı koruyucu rol oynarlar. Oleuropein, hidroksitirosol ve tirosol gibi polifenoller, inflamasyonu azaltır, kalp-damar sağlığını destekler ve bağışıklık sistemini güçlendirir. Zeytinyağındaki polifenol miktarı, zeytinin türü, hasat zamanı ve işleme yöntemlerine bağlıdır. Bu bileşikler, aynı zamanda zeytinyağının acılık ve yakıcılık gibi duyusal özelliklerine de katkıda bulunur. Polifenollerin bilimsel araştırmalarla kanıtlanan faydaları, zeytinyağını fonksiyonel gıda kategorisine taşır.