מוצרי חלב נחשבים מזונות עתירי רכיבים תזונתיים, בזכות יותר מעשרה רכיבים תזונתיים שהם מספקים באופן טבעי. לרכיבי תזונה אלה מגוון יתרונות בריאותיים. מוצרי החלב מכילים צבר רכיבי תזונה התורם לבריאות העצם: סידן, זרחן, חלבון, מגנזיום, אבץ וויטמין D במוצרים המועשרים; ובנוסף: אשלגן, ויטמין A, ויטמינים מקבוצת B (כולל פולת, ריבופלאוין וויטמין 12B).
הרכב החלבונים האיכותיים של החלב, כ-20% מי גבינה וכ-80% קזאין, תורם לבניית השרירים. מי גבינה נספגים בגוף במהירות, ולכן הם מצוינים לאחרי האימון. הקזאין מתעכל לאט יותר, כך שהוא מספק חלבונים לזמן ממושך יותר, כמו בין הארוחות או במשך השינה; חלבוני החלב יכולים להתפרק למספר חלבונים קטנים יותר (פפטידים) בעלי יתרונות מיוחדים, ביניהם, תמיכה במערכת החיסון, מניעת עששת השיניים והורדת לחץ הדם; השומן במוצרי החלב מכיל חומצות שומן רוויות (62%), חד בלתי רוויות (30%) ורב בלתי רוויות (4%).
במחקרים זוהו מרכיבים בשומן החלב, ביניהם, חומצת שומן לינולאית מצומדת (CLA), ספינגומיאלין וחומצה בוטירית שהם בעלי פעילות ביולוגית ייחודית ויכולים לסייע במניעת סרטן; המקור העיקרי לפחמימות בחלב הוא הלקטוז. חלב פרה מכיל כ-4.5% לקטוז, בהשוואה ל-7% בחלב אם. אוליגוסכרידים בחלב פועלים כפרה-ביוטיקה (רכיבי מזון שאינם מתעכלים ומעודדים שגשוג של חיידקים פרוביוטיים במעי הגס).