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茶樹鮮葉中含有豐富的氨基酸，一共有26種，分為兩類，一類構成了鮮葉中的蛋白質，其種類、數量都相對穩定。蛋白質在植物生命活動中起主導作用，如酶、核酸、激素、生物膜、原生質、葉綠體等都是以蛋白質為核心成分。這類氨基酸在制茶過程中，由于物理、化學作用沉淀在葉片上，只有極少量進入茶湯，調節滋味。茶葉中的另一類氨基酸為游離氨基酸，它們在茶樹體內起到氨基酸貯存庫的作用，其含量常因環境因子、農業技術措施、品種和生育階段不同而有很大差異。游離氨基酸含量高的鮮葉豐滿柔軟，持嫩性強，制成茶后大部分游離氨基酸都可溶于茶湯，給茶湯帶來馥郁的香氣、鮮美甘甜的滋味，干茶外形也很漂亮。游離氨基酸中的主要成分，就是茶中所特有的茶氨酸。
茶氨酸，占游離氨基酸的70％以上，易溶于水，水溶液呈微酸性，有甜味、焦糖香和類似味精的鮮爽味，味覺閾值很低，為0.06%，即微量的變化就會影響茶湯的滋味。茶氨酸極易溶于水，在茶湯中的泡出率為81％，而且性質非常穩定、耐熱，煮沸5分鐘都不被破壞，在25℃、pH3的酸性環境中保存12個月，其含量也不會減少。
茶氨酸在茶樹根部合成，在生長季節被運送到地上部分的生長點，所以根系發達、生長茂盛的茶樹鮮葉茶氨酸含量高，比如云南普洱生茶中的大樹茶和老樹茶，無性繁殖的3~10樹年齡的茶樹鮮葉做成的茶，茶氨酸含量都很高，香氣、滋味非常好。人工遮陰或生長環境有其他植被天然遮陰的茶樹，茶氨酸含量比較高，如著名的武夷巖茶、日本的抹茶和玉露茶等。茶樹的嫩芽、嫩葉和嫩莖中，茶氨酸含量也比較高，有人覺得同一級別的鐵觀音茶，帶梗的比不帶梗的茶好喝，就是這個道理。茶氨酸一般能達到茶葉干重的2％左右，不同種類、不同級別的茶差別很大，如安吉白茶的茶氨酸含量可達3007毫克/100克，而比較粗老的邊銷黑茶只有24毫克/100克，。對綠茶來說，一級茶的茶氨酸含量是七級茶的3倍。
茶氨酸含量的高低，不僅關系到茶葉的品質，對人體健康也非常重要。因為茶氨酸是一種神經傳遞物質，進入人體后有很多積極的生理功能。
喝茶和咖啡都會令人興奮，但喝茶不會亢進，只會心情平靜舒暢，因為茶湯中含有茶氨酸，茶氨酸對咖啡堿有適當的拮抗作用。
茶氨酸可以影響腦電波。人的大腦可以產生四種微弱的腦電波，即α、β、δ和θ波：α波表明大腦的放松狀態，β波為緊張狀態，θ波為淺睡狀態，δ波為熟睡狀態。一些研究表明，茶氨酸可使β波減弱，α波和δ波在不同實驗中分別都有增強。可見，并不是所有的茶都會使神經一味地興奮，一些茶氨酸含量高的茶，比如鮮葉等級高、茶湯鮮美甜醇、香氣濃郁持久的茶，反而有促進身心放松、安神、助睡眠的作用。
茶氨酸通過血腦屏障進入腦后，可降低腦中5－羥色胺的濃度，同時使神經傳導物質多巴胺顯著增加。多巴胺在傳達腦神經細胞興奮時有重要作用，體內缺乏多巴胺時，學習力和記憶力降低，還會引發帕金森癥、神經分裂癥等，所以多巴胺被醫學界稱為“快樂物質”。而茶氨酸也有“幸福氨基酸”的美譽。因此，喝茶使人快樂，是有確切的物質基礎的，不僅僅是心理作用。由此，茶氨酸還可以改善由內分泌失調引發的各種精神及身體上的不適癥狀，如經期綜合征、更年期綜合征、抑郁癥等。
經研究，茶氨酸可以很好地保護人的腦神經細胞。
人一生約有120億個腦細胞，以三類狀態存在：第一類是成熟腦細胞，約占總數的5%~10％，是處于工作狀態的精英，較有難度的工作均由它們來完成。第二類是半抑制狀態腦細胞，其成熟度相對較低，承擔簡單的工作。第三類是沉睡狀態的腦細胞，它們處于完全沒有發展的原始狀態，可以通過和其他腦細胞的聯絡發展成為成熟的腦細胞。腦細胞彼此間的聯絡多是在外界環境的反復刺激下逐漸形成的。腦細胞間的聯絡越多，各細胞間的分工合作就越和諧、越高效，人就越聰明，智商就越高。所以“腦子越用越好使”是一條真理。
人的腦細胞有一個與其他人體細胞不同的特性——不可再生性，即發育完成后就進入一種連續不斷地死亡過程，永不復生增殖，死一個會影響與它有聯系的若干個細胞。隨著年齡的增加，腦細胞的死亡速度越來越快，每天死亡接近10萬個，如果再遇到某種疾病，比如腦栓塞等腦障礙引起短暫腦缺血，或者精神長期處于高度緊張狀態、情緒惡劣等，神經細胞的死亡數量就會更多。所以，現代人經常感覺年紀輕輕的卻腦力不濟，老年癡呆癥的發病率也越來越高，這都與我們平時不注意保護腦神經細胞有關。
科學家做過一個實驗：給沙土鼠投以不同濃度的茶氨酸，而后使其處于3分鐘腦缺血狀態，發現腦中完好的神經細胞數量比對照組多，而且茶氨酸濃度越高，神經細胞的存活率就越高，甚至可以達到90％。它說明，茶氨酸能延長腦神經細胞的壽命，保護其不受缺血死亡的威脅，濃度越高效果越好。所以，長時間持續喝茶、喝好茶的人，老年癡呆癥的發病率大大降低，學習力、記憶力保持得很好，才思敏捷，耳聰目明。很多高齡茶人都是很好的例證。
血壓是通過人體的中樞及末梢神經系統的遞質——兒茶酚胺和5-羥色胺的分泌量來調節的。科學實驗證明：茶氨酸使人為升壓和自發性高血壓的實驗動物的收縮壓、舒張壓和平均血壓都有下降，程度與劑量有關，而血壓正常的實驗動物沒有變化。進一步研究表明：茶氨酸可在腦中積累，同時腦中的5-羥色胺及其代謝產物的含量都會明顯下降。因此，茶氨酸的降血壓作用是非常“智能”的，它對不正常的高血壓有調節作用，而對正常的血壓沒有影響。所以，高血壓的人應該多喝富含茶氨酸的茶，而正常血壓或低血壓的人，不用擔心喝茶會帶來不適的感覺。
臨床醫學中，常把茶氨酸作為腫瘤治療的輔助手段。茶氨酸本身并沒有抗腫瘤活性，但它能提高多種抗腫瘤藥物的療效。比如腫瘤病人經常使用阿霉素（ADR）來進行治療，茶氨酸可以阻止阿霉素從腫瘤細胞中流出，從而增加了藥物濃度和抗癌效果。同時，腫瘤細胞中的谷氨酰胺代謝比正常細胞活躍許多，而茶氨酸是谷氨酰胺的衍生物，二者結構相似，作為谷氨酰胺的競爭物，可以通過干擾谷氨酰胺的代謝來抑制腫瘤細胞的生長。
另外，茶氨酸還有非常好的減肥降脂作用，實驗證明，連續服用0.028％的茶氨酸4個月，腹腔脂肪減少42％，肝臟膽固醇減少28％。
茶氨酸對人體健康有著多重積極意義，茶湯中的茶氨酸能被迅速、充分地吸收，1小時前后在血液與肝臟中濃度達到最高，5小時時在腦中達到最高，然后逐漸下降，24小時后在體內完全消失。所以，茶氨酸需要每天大量補充，喝茶也應該成為一種持之以恒的好習慣。早在1985年，美國食品和藥物管理局(FDA)就認可了茶氨酸的安全性，并確認在使用過程中不作限制用量的規定。
γ－氨基丁酸是茶葉中的另一種非蛋白質氨基酸，簡稱GABA，它有著與茶氨酸類似的健康功效，在自然界廣泛存在，如黃芪、GABARON茶、奶酪等食品中都富含GABA。日本、中國目前正在運用高科技手段，研制富含GABA的發酵類茶，以期開辟茶葉保健的新領域。茶葉中還有很多影響茶湯滋味和香氣的游離氨基酸，如，谷氨酸和天門冬氨酸呈鮮味，精氨酸鮮甜，苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸具有芳香環，有香氣，發酵后也能形成醛類等低沸點的芳香物質。總之，茶葉中豐富的氨基酸，不僅給茶湯帶來了美妙的色、香、味，還給人體帶來了健康和快樂。