鲜叶经过加工形成红茶后，发生了以茶多酚促氧化为中心的化学反应，鲜叶中的化学成分变化较大，茶多酚中的主要成分各类儿茶素减少80%以上，形成的茶黄素类和茶红素类成为红茶中最为主要的化学成分，其中茶黄素类占干物质含量的1%-2%，茶红素类占干物质含量的9%-20%，两者在红茶水浸出物中约占40%-60%。
红茶中的咖啡因含量与绿茶接近，氨基酸及肽、有机酸和游离糖略高于绿茶，维生素类远低于绿茶。红茶中的主要化学成分和特性与绿茶差异很大，从中医的角度上说，红茶性温，绿茶性凉。因此，红茶质量特征和保健作用也有其独特性。
医学研究指出红茶可以帮助胃肠消化、促近食欲，可利尿、消除水肿，并强壮心肌功能。预防疾病方面：红茶的抗菌力强，用红茶漱口可防滤过性病毒引起的感冒，并预防蛀牙与食物中毒，降低血糖值与高血压。其药性在中医上也有提出：红茶性温，擅温中驱寒，温胃驱寒，能化痰、消食、开胃。可见，红茶宜脾胃虚弱者饮用。因此，在日常生活中，脾胃不好的消费者宜选用红茶进行品饮，喝红茶对健康有明显帮助。
另外，根据研究红茶的有着各种的医药功效，如利尿功效。在红茶中的咖啡碱和芳香物质联合作用下，增加肾脏的血流量，提高肾小球过滤率，扩张肾微血管，并抑制肾小管对水的再吸收，于是促成尿量增加。如此有利于排除体内的乳酸、尿酸(与痛风有关)、过多的盐分(与高血压有关)、有害物等，以及缓和心脏病或肾炎造成的水肿。
而红茶中的多酚类化合物具有消炎的效果，再经由实验发现，儿茶素类能与单细胞的细菌结合，使蛋白质凝固沉淀，藉此抑制和消灭病原菌。所以细菌性喇疾及食物中毒患者喝红茶颇有益，民间也常用浓茶涂伤口、褥疮和香港脚。
据实验证明，红茶中的茶多碱能吸附重金属和生物碱，并沉淀分解，这对饮水和食品受到工业污染的现代人而言，不啻是一项福音。
经由医学实验发现，红茶中的咖啡碱藉由刺激大脑皮质来兴奋神经中枢，促成提神、思考力集中，进而使思维反应更形敏锐，记忆力增强；它也对血管系统和心脏具兴奋作用，强化心搏，从而加快血液循环以利新陈代谢，同时又促进发汗和利尿，由此双管齐下加速排泄乳酸(使肌肉感觉疲劳的物质)及其他体内老废物质，达到消除疲劳的效果。
尤其在夏天饮红茶能止渴消暑，是因为茶中的多酚类、醣类、氨基酸、果胶等与口涎产生化学反应，且剌激唾液分泌，导致口腔觉得滋润，并且产生清凉感;同时咖啡碱控制下视丘的体温中枢，调节体温，它也刺激肾脏以促进热量和污物的排泄，维持体内的生理平衡。
此外，红茶还具有防龋、健胃整肠助消化、延缓老化、降血糖、降血压、降血脂、抗癌、抗辐射等功效;红茶还是极佳的运动饮料，除了可消暑解渴及补充水分外若在进行需要体力及持久力的运动(如马拉松赛跑)前喝，因为茶中的咖啡碱具有提神作用，又能在运动进行中促成身体先燃烧脂肪供应热能而保留肝醋，所以让人更具持久力。
