Oliwa z oliwek jest mieszanką związków organicznych, co uniemożliwia podanie pojedynczego wzoru chemicznego, który ją reprezentuje. Metoda ekstrakcji oleju z oliwek wraz z różnorodnością i dojrzałością użytej oliwy wpływa na skład.
Większość oliwy z oliwek składa się z trójglicerydów, które są tłuszczami o różnej długości łańcucha węglowego. Olej zawiera niewielkie ilości wolnych kwasów tłuszczowych, spowodowane rozkładem trójglicerydów. Pigmenty to substancje chemiczne odpowiedzialne za kolor oleju. Każda partia oleju ma nieco inne związki smakowe. Ponadto w oleju znajdują się fosfatydy i sterole. Mimo że gotowy produkt jest filtrowany, w oleju znajdują się także mikroskopijne kawałki oliwy.
