חלב הוא תנובת בלוטות החלב של נקבות היונקים, נוזל מעשיר במיוחד המיועד להזין את גורי היונקים (כולל תינוקות בני האדם). לאור הרכבם התזונתי העשיר, הממלאים את רוב צורכי גוף האדם, משמש החלב חלק בלתי נפרד מתזונת האדם.
תקופת ההנקה אצל מיני היונקים שונה מיונק ליונק ומתפרשת על פני ימים בודדים עד לחודשים רבים (אצל האדם והפיל, לדוגמה). תהליך החליבה, המתבצע ברפתות ובדירים, שומר על רמה גבוהה של ייצור חלב בעטינים למשך זמן רב יותר.
הרכב החלב משתנה במידה רבה מיונק ליונק בהתאמה לצורכי הצאצא. חלב אם (אישה), למשל, רזה יחסית ועשיר בלקטוז – הסוכר העיקרי שנמצא בו. לעומת זאת, חלב פרה מתאפיין ברמה נמוכה יותר של סוכרים, אך ברמה גבוהה יותר של שומן. חלב פרה מכיל כ-3.5% שומן, 8.5% מוצקי חלב ו-88% מים.
לחלב הרכב ייחודי של חלבונים בעל ערך ביולוגי גבוה. החלבון העיקרי בחלב פרה הוא קזאין (80%) והשאר חלבוני מי-גבינה (כ-20%). השומן במוצרי החלב מכיל חומצות שומן רוויות (62%), חד בלתי רוויות (30%) ורב בלתי רוויות (4%). במחקרים זוהו מרכיבים בשומן החלב שהם בעלי פעילות ביולוגית ייחודית ויכולים לספק מספר יתרונות בריאותיים. המקור העיקרי לפחמימות בחלב הוא הלקטוז. חלב פרה מכיל כ-4.5% לקטוז, בהשוואה ל-7% בחלב אם.
חלב נחשב למזון בעל צפיפות תזונתית גבוהה בזכות יותר מעשרה רכיבים תזונתיים שהוא מספק באופן טבעי, ביניהם: אשלגן, ויטמין A וויטמינים מקבוצה B (כולל ריבופלאבין וויטמין 12B). בחלב מצויים חמישה רכיבי תזונה המוגדרים צבר תזונתי חיוני לבניית ולתחזוקת העצם: סידן, זרחן, מגנזיום, פלואוריד, וויטמין D במוצרים המועשרים.
חלב ומוצרי חלב נחשבים לנכס תזונתי שבכוחו לשפר את כלל התזונה והבריאות ולשפר את בריאות העצם בעיקר בגיל הילדות וההתבגרות. בנוסף, צריכת חלב ומוצריו קשורה לסיכון נמוך לתחלואה בסוכרת מסוג 2, תסמונת מטבולית, מחלות לב וכלי דם, יתר לחץ דם, השמנה ורמות גבוהות של כולסטרול בדם. רוב המחקרים תומכים בהשפעה המגינה שיש לחלב ומוצריו, ולרכיבי התזונה שלהם, מפני סרטן המעי הגס והחלחולת.