El aceite de oliva es una mezcla de compuestos orgánicos, por lo que es imposible proporcionar una fórmula química única para representarlo. El método de extracción del aceite de las aceitunas, junto con la variedad y la madurez de la aceituna utilizada, afectan la composición.
La mayor parte del aceite de oliva está hecho de triglicéridos, que son grasas de diferentes longitudes de cadena de carbono. El aceite contiene pequeñas cantidades de ácidos grasos libres causados por la descomposición de los triglicéridos. Los pigmentos son los químicos responsables del color del aceite. Cada lote de aceite tiene compuestos de sabor ligeramente diferentes. Además, hay fosfátidos y esteroles en el aceite. Aunque el producto terminado está filtrado, también hay piezas microscópicas de oliva en el aceite.