牛奶含有丰富的蛋白质，每 30mL 纯牛奶提供约 1 克蛋白质，或每杯 240mL 纯牛奶提供 7.7 克左右蛋白质。换算下来，或者在一些常温纯牛奶商品的营养成分表中，会显示蛋白质含量为 2.8~3.3g/100mL。
牛奶中的蛋白质可根据其在水中的溶解度分为两组，其中不溶性乳蛋白称为酪蛋白（casein），而可溶性蛋白质称为乳清蛋白（lactoal-bumin）。这两种乳蛋白被认为具有优异的品质，具有高比例的必需氨基酸和良好的消化率。
酪蛋白
酪蛋白占牛奶中蛋白质的大部分，含量在 80％ 左右。它实际上是一个不同蛋白质的家族，包括α-s1酪蛋白、α-s2酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白，其中α-s1酪蛋白是最丰富的。酪蛋白的一个重要特性是它能够增加矿物质的吸收，如钙和磷。同时它也可能促进降低血压。
乳清蛋白
乳清蛋白是另一类蛋白质，占牛奶中蛋白质含量的约 20％，是一种高品质的蛋白质来源，包括α-乳清蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白及混合蛋白和多肽。它特别富含支链氨基酸（BCAAs），如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。
乳清蛋白可以降低血压，降低血糖，减轻压力，预防癌症，减少肝炎症状，增加骨矿物质密度。另外乳清蛋白富含支链氨基酸的特性，能促进肌肉蛋白质的合成，非常适合生长和保持肌肉，因此，它是运动员和健美运动员的热门追捧的食物。
酪蛋白比乳清蛋白需要更多时间去消化
酪蛋白因其在肠道中的缓慢吸收率而众所周知为“长时间释放”蛋白质。这意味着它会在很长一段时间内为您的细胞提供低水平的氨基酸。它可以帮助你的细胞合成蛋白质，即使在你的身体通常会分解自己的肌肉来喂养自己的时候，因此，它被称为“抗分解代谢”，有助于减少肌肉分解。
而乳清蛋白的特点是容易消化吸收，以乳清蛋白为基础生产的食品对那些不耐受乳蛋白（主要是酪蛋白）的婴儿大有帮助。同时因为乳清蛋白中含有免疫球蛋白、乳球蛋白和牛血清白蛋白，故能提高机体的免疫力，延长人的寿命。