Zeytinyağı, büyük oranda tekli doymamış yağ asitleri (özellikle oleik asit) içerir. Bunun yanı sıra polifenoller, tokoferoller, fitosteroller, vitamin E ve K gibi biyolojik aktif bileşenler bulunur. Bu bileşikler yağın stabilitesini artırır ve aromasını zenginleştirir. Ayrıca zeytinyağının kimyasal yapısı, pişirme sırasında yüksek ısıya dayanmasını sağlar. Bileşenlerin oranı, zeytin çeşidi, hasat zamanı ve işleme yöntemlerine göre değişkenlik gösterir. Kimyasal analizler, yağ kalitesini ve uygun kullanım alanlarını belirlemede kullanılır.