咖啡碱在茶叶中含量最多，化学式C8H10N4O2，是1827年在茶叶中检出。是具有绢丝光泽的白色针状结晶体，失去结晶水后成白色粉末。无臭，有苦味。茶叶中咖啡碱的含量一般在2%-4%左右，但随茶树的生长条件、品种来源，尤其与新梢芽叶的部位不同，会有较明显的差异。
咖啡碱能兴奋中枢神经，增强大脑皮质的兴奋过程，从面振奋精神、增进思维、提高效率。试验表明，饮茶能提高人的分辩能力以及触觉、味觉和嗅觉的灵敏度，同时还能明显提高口头答辩和数学思维的反应。作家的灵感、科学家的思路，往往在喝了茶后油然而生；运动员也往往因赛前喝了茶而提高了运动成绩。此外，咖啡碱还有利尿、消浮肿、解除酒精毒害、强心解痉、平喘、扩张血管壁的作用，因而茶叶可用于治疗高血压、高血压性头痛，提高胃液分泌量、增进食欲、帮助消化，以及调节脂肪代谢等。
一般大叶茶树中咖啡碱含量较高，在云雾中或阴面山生长的鲜叶中，咖啡碱含量较高。此外，鲜茶叶的老嫩之间的差异也很大，细嫩茶叶比粗老茶叶含量高，夏茶比春茶含量高。咖啡碱是茶叶重要的滋味物质，其与茶黄素以氢键缔合后形成的复合物具有鲜爽味，因此，茶叶咖啡碱含量也常被看作是影响茶叶质量的一个重要因素。
