茶垢的成分是茶多酚在空气氧化作用下产生的聚合物，少量金属离子也参与了茶垢的形成。不同类型的茶形成的茶垢成分基本相似，茶垢是茶多酚在空气氧化作用下产生的聚合物，因此主要在水线附近形成并附着在容器的内壁上。
研究显示，随着时间的延长，茶垢中聚合物的分子量逐渐增加，这意味着多酚的聚合反应还在缓慢进行。因此茶垢时间越长，越不容易去掉是有道理的。隔夜茶的茶汤表面常常有一层带有金属光泽的“油膜”，让人误以为其中有某种重金属。
其实，元素分析显示，茶垢的绝大部分成分是碳、氧元素，来自多酚聚合物，也有少量钾、钙、镁、铝、锌、硒等元素。
金属元素主要以不溶于水的碳酸盐或氢氧化物的形式存在，其中钙元素是茶垢形成的主要促进因素，主要来自泡茶的水。铅、砷、镉、汞等重金属污染物并不是茶垢的主要金属元素，因此喝茶的时候不必担心。