不管是作为食品添加剂、膳食补充剂还是食品原料，都需要纯度较高的茶氨酸。中国批准作为食品原料的茶氨酸对纯度的要求是最低的，只要超过20%就可以。但这也大大高于茶中的含量——也就是说，把茶氨酸分离出来，是它实现这些用途的前提。
茶氨酸易溶于水，只需要用水浸泡就可以提取出来。但是，同时被溶解到水中的，还有茶多酚、咖啡因等各种其它成分。要得到纯度高的茶氨酸，就还需要除去其它成分。好在茶氨酸很稳定，能够耐高温、耐酸、耐碱，在漫长的提取与分离流程中，能保持不失活不分解。所以，各种提取和分离天然产物的手段尽可以轮番上阵，把“杂质”逐渐去除，一步一步地提高纯度。目前，工业上可采用的分离方法有三种：沉淀法、离子交换树脂法和膜分离法。
沉淀法是最传统的化工分离手段，就是通过变化温度、加酸、加碱、加其它化学试剂等手段，把混合物中的一种或几种成分充分地沉淀下来，从而把茶氨酸和其他“杂质”成分分开。这种手段操作简单，但需要的步骤很多，在加入化学试剂沉淀的过程中，也可能引入新的杂质，甚至有的杂质中还含有有害成分。
离子交换树脂法要高端大气一些。大致流程是通过沉淀去掉蛋白质，再用吸附的方式去掉色素等成分，然后让溶液流过离子交换树脂，把茶氨酸吸附到树脂上而让其他成分流过。再改换水溶液的酸碱度，把茶氨酸“洗脱”下来，就得到了茶氨酸含量大大提高的“粗品”。这样的粗品再经过结晶纯化，可以得到高纯度的茶氨酸。纯度高，自然成本也就比较高了。
膜分离是现代天然产物分离中的新兴技术。分离使用的半透膜就象孔径非常小的筛子，允许尺寸比孔径小的分子通过，而把尺寸大于孔径的分子拦下。通过不同孔径的膜的组合，就可以把分子比茶氨酸大的和小的成分都去除，而只留下茶氨酸和分子大小与它接近的成分。膜分离的优势在于不再引入其他的物质，流程也比较简单，劣势是只能进行富集和初步纯化，只靠它也还是难以获得高纯度的产品。
茶中的茶氨酸含量很低，如果从茶原料中只是分离茶氨酸的话，经济效益就比较低。而茶氨酸含量高的鲜叶，做成的茶叶往往品质较高，能卖出更好的价钱，也就不大会用来提取茶氨酸。不过，茶中有经济价值的成分并不止茶氨酸，比如茶多酚，含量高、也更有市场吸引力。提取茶多酚产生的废液中，茶氨酸并没有受到影响。从这样的废液中提取茶氨酸，不仅原料成本几乎没有，还相当于已经去除了一些“杂质”，成本也就大大降低。
