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茶树鲜叶中含有丰富的氨基酸，一共有26种，分为两类，一类构成了鲜叶中的蛋白质，其种类、数量都相对稳定。蛋白质在植物生命活动中起主导作用，如酶、核酸、激素、生物膜、原生质、叶绿体等都是以蛋白质为核心成分。这类氨基酸在制茶过程中，由于物理、化学作用沉淀在叶片上，只有极少量进入茶汤，调节滋味。茶叶中的另一类氨基酸为游离氨基酸，它们在茶树体内起到氨基酸贮存库的作用，其含量常因环境因子、农业技术措施、品种和生育阶段不同而有很大差异。游离氨基酸含量高的鲜叶丰满柔软，持嫩性强，制成茶后大部分游离氨基酸都可溶于茶汤，给茶汤带来馥郁的香气、鲜美甘甜的滋味，干茶外形也很漂亮。游离氨基酸中的主要成分，就是茶中所特有的茶氨酸。
茶氨酸，占游离氨基酸的70％以上，易溶于水，水溶液呈微酸性，有甜味、焦糖香和类似味精的鲜爽味，味觉阈值很低，为0.06%，即微量的变化就会影响茶汤的滋味。茶氨酸极易溶于水，在茶汤中的泡出率为81％，而且性质非常稳定、耐热，煮沸5分钟都不被破坏，在25℃、pH3的酸性环境中保存12个月，其含量也不会减少。
茶氨酸在茶树根部合成，在生长季节被运送到地上部分的生长点，所以根系发达、生长茂盛的茶树鲜叶茶氨酸含量高，比如云南普洱生茶中的大树茶和老树茶，无性繁殖的3~10树年龄的茶树鲜叶做成的茶，茶氨酸含量都很高，香气、滋味非常好。人工遮阴或生长环境有其他植被天然遮阴的茶树，茶氨酸含量比较高，如著名的武夷岩茶、日本的抹茶和玉露茶等。茶树的嫩芽、嫩叶和嫩茎中，茶氨酸含量也比较高，有人觉得同一级别的铁观音茶，带梗的比不带梗的茶好喝，就是这个道理。茶氨酸一般能达到茶叶干重的2％左右，不同种类、不同级别的茶差别很大，如安吉白茶的茶氨酸含量可达3007毫克/100克，而比较粗老的边销黑茶只有24毫克/100克，。对绿茶来说，一级茶的茶氨酸含量是七级茶的3倍。
茶氨酸含量的高低，不仅关系到茶叶的品质，对人体健康也非常重要。因为茶氨酸是一种神经传递物质，进入人体后有很多积极的生理功能。
喝茶和咖啡都会令人兴奋，但喝茶不会亢进，只会心情平静舒畅，因为茶汤中含有茶氨酸，茶氨酸对咖啡碱有适当的拮抗作用。
茶氨酸可以影响脑电波。人的大脑可以产生四种微弱的脑电波，即α、β、δ和θ波：α波表明大脑的放松状态，β波为紧张状态，θ波为浅睡状态，δ波为熟睡状态。一些研究表明，茶氨酸可使β波减弱，α波和δ波在不同实验中分别都有增强。可见，并不是所有的茶都会使神经一味地兴奋，一些茶氨酸含量高的茶，比如鲜叶等级高、茶汤鲜美甜醇、香气浓郁持久的茶，反而有促进身心放松、安神、助睡眠的作用。
茶氨酸通过血脑屏障进入脑后，可降低脑中5－羟色胺的浓度，同时使神经传导物质多巴胺显著增加。多巴胺在传达脑神经细胞兴奋时有重要作用，体内缺乏多巴胺时，学习力和记忆力降低，还会引发帕金森症、神经分裂症等，所以多巴胺被医学界称为“快乐物质”。而茶氨酸也有“幸福氨基酸”的美誉。因此，喝茶使人快乐，是有确切的物质基础的，不仅仅是心理作用。由此，茶氨酸还可以改善由内分泌失调引发的各种精神及身体上的不适症状，如经期综合征、更年期综合征、抑郁症等。
经研究，茶氨酸可以很好地保护人的脑神经细胞。
人一生约有120亿个脑细胞，以三类状态存在：第一类是成熟脑细胞，约占总数的5%~10％，是处于工作状态的精英，较有难度的工作均由它们来完成。第二类是半抑制状态脑细胞，其成熟度相对较低，承担简单的工作。第三类是沉睡状态的脑细胞，它们处于完全没有发展的原始状态，可以通过和其他脑细胞的联络发展成为成熟的脑细胞。脑细胞彼此间的联络多是在外界环境的反复刺激下逐渐形成的。脑细胞间的联络越多，各细胞间的分工合作就越和谐、越高效，人就越聪明，智商就越高。所以“脑子越用越好使”是一条真理。
人的脑细胞有一个与其他人体细胞不同的特性——不可再生性，即发育完成后就进入一种连续不断地死亡过程，永不复生增殖，死一个会影响与它有联系的若干个细胞。随着年龄的增加，脑细胞的死亡速度越来越快，每天死亡接近10万个，如果再遇到某种疾病，比如脑栓塞等脑障碍引起短暂脑缺血，或者精神长期处于高度紧张状态、情绪恶劣等，神经细胞的死亡数量就会更多。所以，现代人经常感觉年纪轻轻的却脑力不济，老年痴呆症的发病率也越来越高，这都与我们平时不注意保护脑神经细胞有关。
科学家做过一个实验：给沙土鼠投以不同浓度的茶氨酸，而后使其处于3分钟脑缺血状态，发现脑中完好的神经细胞数量比对照组多，而且茶氨酸浓度越高，神经细胞的存活率就越高，甚至可以达到90％。它说明，茶氨酸能延长脑神经细胞的寿命，保护其不受缺血死亡的威胁，浓度越高效果越好。所以，长时间持续喝茶、喝好茶的人，老年痴呆症的发病率大大降低，学习力、记忆力保持得很好，才思敏捷，耳聪目明。很多高龄茶人都是很好的例证。
血压是通过人体的中枢及末梢神经系统的递质——儿茶酚胺和5-羟色胺的分泌量来调节的。科学实验证明：茶氨酸使人为升压和自发性高血压的实验动物的收缩压、舒张压和平均血压都有下降，程度与剂量有关，而血压正常的实验动物没有变化。进一步研究表明：茶氨酸可在脑中积累，同时脑中的5-羟色胺及其代谢产物的含量都会明显下降。因此，茶氨酸的降血压作用是非常“智能”的，它对不正常的高血压有调节作用，而对正常的血压没有影响。所以，高血压的人应该多喝富含茶氨酸的茶，而正常血压或低血压的人，不用担心喝茶会带来不适的感觉。
临床医学中，常把茶氨酸作为肿瘤治疗的辅助手段。茶氨酸本身并没有抗肿瘤活性，但它能提高多种抗肿瘤药物的疗效。比如肿瘤病人经常使用阿霉素（ADR）来进行治疗，茶氨酸可以阻止阿霉素从肿瘤细胞中流出，从而增加了药物浓度和抗癌效果。同时，肿瘤细胞中的谷氨酰胺代谢比正常细胞活跃许多，而茶氨酸是谷氨酰胺的衍生物，二者结构相似，作为谷氨酰胺的竞争物，可以通过干扰谷氨酰胺的代谢来抑制肿瘤细胞的生长。
另外，茶氨酸还有非常好的减肥降脂作用，实验证明，连续服用0.028％的茶氨酸4个月，腹腔脂肪减少42％，肝脏胆固醇减少28％。
茶氨酸对人体健康有着多重积极意义，茶汤中的茶氨酸能被迅速、充分地吸收，1小时前后在血液与肝脏中浓度达到最高，5小时时在脑中达到最高，然后逐渐下降，24小时后在体内完全消失。所以，茶氨酸需要每天大量补充，喝茶也应该成为一种持之以恒的好习惯。早在1985年，美国食品和药物管理局(FDA)就认可了茶氨酸的安全性，并确认在使用过程中不作限制用量的规定。
γ－氨基丁酸是茶叶中的另一种非蛋白质氨基酸，简称GABA，它有着与茶氨酸类似的健康功效，在自然界广泛存在，如黄芪、GABARON茶、奶酪等食品中都富含GABA。日本、中国目前正在运用高科技手段，研制富含GABA的发酵类茶，以期开辟茶叶保健的新领域。茶叶中还有很多影响茶汤滋味和香气的游离氨基酸，如，谷氨酸和天门冬氨酸呈鲜味，精氨酸鲜甜，苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸具有芳香环，有香气，发酵后也能形成醛类等低沸点的芳香物质。总之，茶叶中丰富的氨基酸，不仅给茶汤带来了美妙的色、香、味，还给人体带来了健康和快乐。