Z nutričního hlediska se jedná zejména o mléčné bílkoviny, především o tzv. syrovátkové nebo „sérové“ bílkoviny a dále o kasein.
Mléčné bílkoviny jsou, stejně jako bílkoviny slepičího vejce, vysoce biologicky hodnotné. Světovou zdravotnickou organizací jsou brány jako standard biologické hodnoty pro hodnocení bílkovin, protože se nejvíce blíží složením bílkovinám lidským (s koeficientem 0,97 až 0,98).
Obsah bílkovin v mléce činí v průměru 3,4 % (z toho 2,8 % kaseinu, 0,5 % albuminu a 0,1 % globulinu). Biologicky cenné jsou především sérové bílkoviny. Kasein, kterého je nejvíce, vykazuje u člověka ochrannou funkci pro jaterní buňky a ovlivňuje značně růstovou aktivitu. Byl obviňován z podílu na zvýšení rizika nemocí srdce a cév u člověka, ale šlo o nepřesný výklad výsledků získaných na králících krmených neobvykle vysokými dávkami kaseinu. U člověka takové účinky kasein nemá díky jiným procesům při trávení než u králíků. Kasein je hlavní bílkovinou v tvarohu.
Zastoupení bílkovin v mléce, dále zinku a lysozymu se podílí na zvýšení imunitních reakcí organismu (tj. jeho obranyschopnosti). V mléce se vyskytují také polypeptidy a malé množství nukleotidů. I tyto látky se podílejí na ochranných pochodech v organismu.
Při spotřebě mléka a mléčných výrobků je nejzávažnějším problémem z výživového hlediska obsah tuku. Mléčný tuk, resp. tuk kravského mléka, a tím tedy i máslo, obsahuje nejvyšší podíl nasycených mastných kyselin ve srovnání s jinými běžně užívanými živočišnými tuky. Část těchto nasycených mastných kyselin tvoří kyseliny s krátkým řetězcem a jsou tedy snadno stravitelné. Další nasycené mastné kyseliny jsou látkami, které mohou způsobit při vyšší spotřebě zdravotní rizika, zejména se zřetelem k výskytu onemocnění srdce a cév. Nenasycené mastné kyseliny jsou v mléce zastoupeny kyselinou olejovou (s 1 dvojnou vazbou - asi 20 až 25 % z celkového množství mastných kyselin) a z vícenenasycených mastných kyselin, kterých je v mléčném tuku 1 až 5 %, má hlavní zastoupení kyselina linolová. Mléčný tuk obsahuje též asi 5 % tzv. trans forem nenasycených mastných kyselin, které však mají obdobné účinky jako nasycené mastné kyseliny.