黑芝麻营养价值十分丰富，不仅含有丰富的优质植物油、蛋白质和矿物质，还含有不饱和脂肪酸和维生素E等，另外，黑芝麻的营养成分中还包括了极其珍贵的芝麻素和黑色素等物质。
1、脂肪酸
黑芝麻芝麻含油量非常丰富，黑芝麻含油量可达50%左右，有研究发现黑芝麻油脂含有的脂肪酸达20种以上，其中不饱和脂肪酸约占80%。Ve含量为植物食品之冠，可清除体内自由基，抗氧化效果显著。具有延缓衰老、治疗消化不良和治疗白发都有一定作用。在这些不饱和脂肪酸中，多不饱和脂肪酸的亚油酸和单不饱和脂肪酸的油酸又约各占一半左右。不饱和脂肪酸是人体不能合成而又必需的脂肪酸，具有降低胆固醇、增强细胞膜透性、阻止心肌组织和动脉硬化等功能。
2、蛋白质
黑芝麻的营养成分中，蛋白质含量平均为20%左右。黑芝麻蛋白质构成氨基酸全面，含有人体所需的全部八种必需氨基酸，其中六种比作为优质蛋白质食物的鸡蛋还要高，另两种则与鸡蛋接近。黑芝麻蛋白中还存在一些具有特殊活性的抗菌蛋白，如BS-P2蛋白等，研究发现此类蛋白对真菌具有很好的抑制作用。
3、维生素
每百克黑芝麻中含维生素E高达约50毫克。维生素E具有非常好的抗氧化能力，可以通过抗氧化作用而保护机体细胞免受自由基的毒害的作用，有利于人体器官健康功能的维持，进而发挥延缓机体衰老的功效。另外，维生素E能够促进人体性激素的分泌，可以使男性精子数量增加、活力增强，能够让女性雌性激素浓度增高，进而发挥提高生育能力和预防流产的作用，所以，维生素E又有“生育酚”之称。
4、矿物质和微量元素
黑芝麻含有丰富的矿物质和微量元素，尤其是钙含量非常丰富，每百克黑芝麻中含钙接近800毫克，这比被人们熟知的补钙佳品牛奶还要高，因为每百克牛奶中钙含量也才200毫克左右。黑芝麻中钾多钠少，两者含量比例约为40:1，这对于控制血压和保持心脏健康非常重要。黑芝麻含镁也十分丰富，镁是人体多种生物酶的激活剂，同时对于维持神经肌肉兴奋性也至关重要，血镁过低会导致肌肉兴奋性均增高，甚至造成抽搐，更重要的是镁能提高精子的活力，增强男性生育能力，因此镁又称为男性的“保健素”。
5、芝麻木脂素
芝麻木脂素是芝麻主要的生物活性物质。木脂素(木酚素)是植物中存在的一类植物雌激素，因在植物的木质部和树脂中发现较早且分布较多而得名。芝麻木脂素中包括多种成分，以芝麻素和芝麻林素为主，其中芝麻素占芝麻木脂素总含量的一半以上。芝麻木脂素具有优良的生物学活性及独特的作用机理。大量研究表明，芝麻素具有很强的抗氧化能力，还能够降低血清胆固醇水平，尤其是明显降低动脉硬化危险因子LDL-C(低密度脂蛋白)另外，芝麻木脂素在保护肝脏、降低血糖、控制血压、调节免疫及抑制肿瘤方面也具有很好的作用。
6、芝麻黑色素
天然色素由于具有安全无毒的性质，日益受到人们的关注，在已开发的天然色素中，红色、黄色、绿色等品种较多，蓝色较少，黑色则极为稀缺。黑芝麻黑色素，简称芝黑素，作为生物大分子，主要包括分子量较大的芝黑素Ⅰ和分子量较小的芝黑素Ⅱ，两者均属于水溶性儿茶酚型天然黑色素。芝黑素具有很强的抗氧化作用，尤其是清除对人体损伤比较大的羟自由基(·OH)的能力较强，从而起到强身益寿、延缓衰老的作用。
此外，黑芝麻膳食纤维的含量也相当丰富，占质量比重的接近20%左右，这也成为了芝麻润肠通便的一个重要原因。
