茶叶中的茶碱是一种自然存在于茶叶中的化学物质，是生物碱的一种，其含量约为0.002%，茶碱与咖啡碱(又称咖啡因)、可可碱又合称为生物碱，其中茶碱的含量最低，咖啡碱的含量最高。
茶叶生物碱是茶叶中重要的化学成份之一，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。
茶叶中嘌呤碱主要有咖啡碱（caffeine,占茶叶干重的2~4%，是茶叶中的特征性成分之一）、可可碱（theobromine, 0.05%)、茶叶碱（theophylline,0.002%)，它们均为黄嘌呤的甲基衍生物。茶叶生物碱不仅是茶叶中化学成分的特征物质，也是茶叶区别于植物而成为饮料的主要原因。
根据性质来看，咖啡碱主要有兴奋作用，而茶碱主要负责利尿，并且在三者中咖啡碱的含量最多，一般为2%-4%左右。
跟咖啡因、可可碱相比，茶碱就像个“叛徒”：虽然茶碱以“茶”命名，但茶碱和可可碱在茶叶中的含量跟咖啡因相比，简直不足一提。
咖啡因和茶碱、可可碱同属于甲基黄嘌呤碱类，但无论是分子结构还是生理作用均略有不同。从结构上看后两者比咖啡因少一个甲基，而对的兴奋作用也都比咖啡因温和许多。
茶叶中茶碱的含量约为0.0002%。其主要作用与咖啡碱基本相似，但兴奋高级神经中枢的作用比咖啡碱弱，而利尿等作用较咖啡碱强。其利尿的关键在于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碱、茶碱基本相近，兴奋高级神经中枢、利尿的作用比上述两者都弱，但其利尿作用却持久性较强。至于强心、松驰平滑肌的作用，甚于咖啡碱而次于茶碱。