O azeite é uma mistura de compostos orgânicos, o que torna impossível fornecer uma única fórmula química para representá-lo. O método de extração do azeite das azeitonas, junto com a variedade e o grau de maturação da azeitona usada, afetam a composição.
A maior parte do azeite é feita de triglicerídeos, que são gorduras de vários comprimentos de cadeia de carbono. O óleo contém pequenas quantidades de ácidos graxos livres causados pela decomposição dos triglicerídeos. Os pigmentos são os produtos químicos responsáveis pela cor do óleo. Cada lote de óleo tem compostos de sabor ligeiramente diferentes. Além disso, existem fosfatídeos e esteróis no óleo. Embora o produto acabado seja filtrado, também existem pedaços microscópicos de azeitona no azeite.
