Die Zusammensetzung von Kuhmilch zu kennen, ist entscheidend, um sie hinsichtlich ihres gesundheitlichen Nutzens bewerten zu können sowie die Verarbeitung von Milch zu anderen Produkten wie Käse und Joghurt zu verstehen. Durch die Zusammensetzung können zudem Rückschlusse auf den Gesundheitszustand des Tieres geschlossen werden.

Grundsätzlich setzt sich Milch aus ca. 12 % Trockenmasse und 88 % Wasser zusammen. Unter Trockenmasse werden alle Bestandteile zusammengefasst, die nach Abzug des Wassers übrigbleiben. Diese umfasst Fette, Kohlenhydrate, Eiweiße und Mineralstoffe.

Milchfette sind in der Kuhmilch zwischen 3,5 und 4,2 Prozent enthalten. Hierbei machen Triglyzeride den Großteil der Fette aus. Der Anteil der gesättigten und ungesättigten Fettsäuren ist unter anderem von der Art des Futters abhängig. So steigt der Anteil ungesättigter Fettsäuren beispielsweise bei Grasfütterung. Im Mittel enthält die Milch ca. 70 % gesättigte Fettsäuren, 25 % einfach ungesättigte Fettsäuren und 5 % mehrfach ungesättigte Fettsäuren. In der Milch liegen die Fette von einer Fettkügelchenmembran umgeben vor.

Milchproteine sind in der Kuhmilch zu etwa 3,4 % enthalten. Sie können anhand ihrer chemischen Eigenschaften unter anderem in Caseine und Molkeproteine unterschieden werden.

Casein macht mit ca. 80 % den größten Anteil der Milcheiweiße aus. Caseine binden Phosphate und Calcium und liegen in der Milch als Mizellen vor. Sie spielen bei der Herstellung von Käse eine große Rolle, da sie durch die Gerinnung für die feste Konsistenz des Käses verantwortlich sind. Die Molkeproteine machen 20 % des Eiweißanteils aus. Sie enthalten unter anderem β-Laktoglobuline, α-Laktalbumin, Albumin sowie Immunglobuline.

Die Laktose ist quantitativ das am häufigsten vorkommende Kohlenhydrat in der Milch. Das Disaccharid besteht aus Galactose und Glucose. Die beiden Monosaccharide sind über eine β-1,4-glycosidische Bindung miteinander verknüpft. Laktose spielt eine essenzielle Rolle bei der Herstellung fermentierter Milchprodukte. In geringen Mengen können in der Milch Oligosaccharide vorkommen.

In der Milch enthaltene Mineralstoffe stammen aus dem Futtermittel der Kühe. Sie umfassen Mengenelemente wie Kalzium, Phosphat, Natrium und Kalium sowie Spurenelemente wie Eisen, Zink und Kupfer. Aufgrund ihrer hohen Konzentration sind ernährungsphysiologisch vor allem Kalzium und Phosphat relevant.

Neben der Kuhmilch können von dem Menschen noch Milch anderer Tierarten zur Ernährung beitragen. Einige Beispiel sind Schaf-, Ziegen-, Büffel- oder Kamelmilch. In der folgenden Tabelle werden die Zusammensetzung dieser Milcharten im Vergleich zur Kuhmilch und Humanmilch dargestellt.