生物碱是一类含氮化合物，茶叶鲜叶中的生物碱，含有咖啡碱（由于最早发现于咖啡而命名）、可可碱、茶碱。其中以咖啡碱含量最多，一般为2%~4%。咖啡碱是茶叶中的重要滋味品质成分。
咖啡碱的含量变化，茶中的咖啡碱含量多少？与芽叶嫩度、茶树品种、施肥种类等都有关系。从叶片的嫩度说，第2片的所含咖啡碱最多占绝对干物质的4.2%，其次是第3叶和第1叶分别占3.4%和3.39%，再次是第4叶和第5叶分别占2.1%和1.7%，最少是老叶和梗各占0.76%和0.36。
从茶树品种来说差异不明显，印度种含量，为干物质的2.72%，中国种为2.5%，日本种含量为2.48%，一般来讲南方品种含量多，北方品种含量少，春茶第1次采摘咖啡碱含量往往最多。
咖啡碱含量因施肥不同而有所变化，施氮肥含量为3.82%，施磷肥含量为3.23%，施钾肥含量为2.93%，不施肥含量为3.428%.茶中的咖啡碱含量因施氮肥而增加，磷肥和钾肥而减少。氮肥施得越多，含量增加也越多。（部分数据引用制茶技术理论）
咖啡碱能溶于水，溶量随温度升高而增加。16度时每100毫升的水中可溶1.35克，在65度时可溶4.5克，溶液中性，有微苦味或涩味。但在一般茶汤中含量少，实际上无味。
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咖啡碱是茶叶重要的滋味物质对品质有较大影响，其含量高低与茶叶品质呈正相关。据报道生物碱含量与红茶品质相关系数为0.859。在红茶茶汤中增加咖啡碱后，可提高滋味的鲜爽度，咖啡碱能与多酚类化合物特别是与多酚类的氧化物茶黄素、茶红素，形成不溶于冷水的，而溶于热水的络合物。当茶汤冷却之后，便出现乳酪状沉淀，这种络合物便悬浮于茶汤i中，使茶汤混浊，俗称冷后浑，这种现象在高级茶汤中尤为明显，是红茶品质良好的象征。
茶叶中的咖啡碱与合成咖啡碱有很大区别。合成咖啡碱对人体有积累毒性，而茶叶中的咖啡碱不会在人体中积累，7天左右可完全排出体外。茶叶中的咖啡碱具有兴奋大脑中枢，神经，强心，利尿等多种药理功效，饮茶的许多功效，如削除疲劳，提高工作效率，抵抗酒精和尼古丁的毒害，减轻支气管和胆管痉挛，调节体温，兴奋呼吸中枢等都与茶叶中的咖啡碱有关。
当然咖啡碱也存在负面效应，主要表现在晚上饮茶可影响睡眠，对神经衰弱者及心动过速者有不利影响。
在制茶过程中，咖啡碱虽然变化不大，但因技术措施不同，略有差异。在烘干过程中120度时开始升华于空气中，180度大量大量升华。在制茶过程中，多数人的意见认为阻碍蛋白质凝固的性能，这可能是由于它与黄酮类化合物结合，而减少了蛋白质与黄酮化合物结合的缘故。这种现象也有利于提高茶叶品质，部分数据引用制茶学！