茶叶中的茶碱是茶叶中天然存在的化学物质。它是一种生物碱，含量约为0.002%。茶碱、咖啡因（又称咖啡因）、可可碱统称为生物碱。其中茶碱含量最低，咖啡因含量最高。
茶生物碱是茶叶中重要的化学成分之一，特别是嘌呤碱中的咖啡碱，易溶于水，是形成茶叶滋味的重要物质。
茶叶中的嘌呤碱主要有咖啡因（占茶叶干重的2-4%，是茶叶中的特征成分之一）、可可碱（0.05%）、茶碱（0.002%）。两者都是黄嘌呤的甲基衍生物。茶生物碱不仅是茶叶中化学成分的特征物质，也是茶区别于其他植物而成为饮料的主要原因。
从性质来看，咖啡因主要起兴奋作用，而茶碱则主要负责利尿作用，三者中咖啡因的含量最多，一般在2%-4%左右。
与咖啡因和可可碱相比，茶碱就像一个“叛徒”：虽然茶碱以“茶”命名，但茶叶中茶碱和可可碱的含量与咖啡因相比根本不算什么。
咖啡因、茶碱和可可碱属于甲基黄嘌呤类化合物，但它们的分子结构和生理作用略有不同。从结构上看，后两者比咖啡因少一个甲基，对人体的兴奋作用比咖啡因温和得多。
茶叶中茶碱的含量约为0.0002%。其主要作用与咖啡因基本相似，但对高级神经中枢的刺激作用较咖啡因弱，而利尿作用较咖啡因强。其利尿的关键是抑制肾小管对原尿中水分的重吸收。
茶叶中可可碱的含量约为0.005%。其主要药理作用与咖啡因、茶碱基本相似。其兴奋高级神经中枢和利尿作用均较上述两者弱，但利尿作用较持久。至于强心、松弛平滑肌的作用，优于咖啡因，次于茶碱。