Lehmapiima koostis sõltub lehma söödast, looma tõust, vanusest, füsioloogilisest seisundist, aastaajast, lüpsist ja teistest teguritest. Kokku on lehmapiimas tuvastatud üle saja biokeemilise ühendi, millest enamusel on ka arvestatav toiteline väärtus.

Lehmapiimas on umbes 87% vett, kuid kõrge veesisaldus ei ole piima puudus, vaid on vajalik piima koostisosade lahustumiseks. Nii imendubki piimas olev vesi sobiva kiirusega verre.

Lehmapiima kuivainesisaldus on ligi 13% ja selle hulka kuuluvad piimarasv (keskmiselt 4-5 %), valgud (2,5-5%), süsivesikud (peamiselt laktoos 4,6-4,8%), samuti mineraalained, vitamiinid, ensüümid, hormoonid ja pigmendid. Piimas leiduvates valkudes on kõik asendamatud aminohapped, mida inimorganism igapäevaselt vajab, sest ise ta neid ei tooda. Lisaks on piim oluline vitamiinide allikas, sisaldades peaaegu kõiki vesi- ja rasvlahustuvaid vitamiine. Rasvlahustuvatest vitamiinidest on piimas rohkesti näiteks vitamiini A (ning selle eelühendeid - karotenoide), samuti vitamiine D ja E.

Piima mineraalainetest on vaieldamatult kõige olulisem kaltsium, sest piim sisaldab seda keskmiselt 120 milligrammi 100 grammi kohta. Piimatoodetest saame umbes 75% meile vajaminevast kaltsiumist. Piima ja vedelate piimatoodete kaltsium on inimorganismile väga hästi omastatav ja seega peaks inimene tavaolukorras saama piimast ja piimatoodetest ligi kolmveerand vajaminevast kaltsiumi kogusest.

Inimestele on piimarasv hästi omastatav ja vägagi oluline energiaallikas, eriti just kasvava ja areneva organismi jaoks. Järelikult pole vähendatud rasvasisaldusega piima ja piimatooteid mõistlik kasutada laste toitlustuses.