黑芝麻營養價值十分豐富，不僅含有豐富的優質植物油、蛋白質和礦物質，還含有不飽和脂肪酸和維生素E等，另外，黑芝麻的營養成分中還包括了極其珍貴的芝麻素和黑色素等物質。
1、脂肪酸
黑芝麻芝麻含油量非常豐富，黑芝麻含油量可達50%左右，有研究發現黑芝麻油脂含有的脂肪酸達20種以上，其中不飽和脂肪酸約佔80%。Ve含量為植物食品之冠，可清除體內自由基，抗氧化效果顯著。具有延緩衰老、治療消化不良和治療白髮都有一定作用。在這些不飽和脂肪酸中，多不飽和脂肪酸的亞油酸和單不飽和脂肪酸的油酸又約各佔一半左右。不飽和脂肪酸是人體不能合成而又必需的脂肪酸，具有降低膽固醇、增強細胞膜透性、阻止心肌組織和動脈硬化等功能。
2、蛋白質
黑芝麻的營養成分中，蛋白質含量平均為20%左右。黑芝麻蛋白質構成氨基酸全面，含有人體所需的全部八種必需氨基酸，其中六種比作為優質蛋白質食物的雞蛋還要高，另兩種則與雞蛋接近。黑芝麻蛋白中還存在一些具有特殊活性的抗菌蛋白，如BS-P2蛋白等，研究發現此類蛋白對真菌具有很好的抑制作用。
3、維生素
每百克黑芝麻中含維生素E高達約50毫克。維生素E具有非常好的抗氧化能力，可以通過抗氧化作用而保護機體細胞免受自由基的毒害的作用，有利於人體器官健康功能的維持，進而發揮延緩機體衰老的功效。另外，維生素E能夠促進人體性激素的分泌，可以使男性精子數量增加、活力增強，能夠讓女性雌性激素濃度增高，進而發揮提高生育能力和預防流產的作用，所以，維生素E又有“生育酚”之稱。
4、礦物質和微量元素
黑芝麻含有豐富的礦物質和微量元素，尤其是鈣含量非常豐富，每百克黑芝麻中含鈣接近800毫克，這比被人們熟知的補鈣佳品牛奶還要高，因為每百克牛奶中鈣含量也才200毫克左右。黑芝麻中鉀多鈉少，兩者含量比例約為40:1，這對於控制血壓和保持心臟健康非常重要。黑芝麻含鎂也十分豐富，鎂是人體多種生物酶的激活劑，同時對於維持神經肌肉興奮性也至關重要，血鎂過低會導致肌肉興奮性均增高，甚至造成抽搐，更重要的是鎂能提高精子的活力，增強男性生育能力，因此鎂又稱為男性的“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質。木脂素(木酚素)是植物中存在的一類植物雌激素，因在植物的木質部和樹脂中發現較早且分佈較多而得名。芝麻木脂素中包括多種成分，以芝麻素和芝麻林素為主，其中芝麻素佔芝麻木脂素總含量的一半以上。芝麻木脂素具有優良的生物學活性及獨特的作用機理。大量研究表明，芝麻素具有很強的抗氧化能力，還能夠降低血清膽固醇水平，尤其是明顯降低動脈硬化危險因子LDL-C(低密度脂蛋白)另外，芝麻木脂素在保護肝臟、降低血糖、控制血壓、調節免疫及抑制腫瘤方面也具有很好的作用。
6、芝麻黑色素
天然色素由於具有安全無毒的性質，日益受到人們的關注，在已開發的天然色素中，紅色、黃色、綠色等品種較多，藍色較少，黑色則極為稀缺。黑芝麻黑色素，簡稱芝黑素，作為生物大分子，主要包括分子量較大的芝黑素Ⅰ和分子量較小的芝黑素Ⅱ，兩者均屬於水溶性兒茶酚型天然黑色素。芝黑素具有很強的抗氧化作用，尤其是清除對人體損傷比較大的羥自由基(·OH)的能力較強，從而起到強身益壽、延緩衰老的作用。
此外，黑芝麻膳食纖維的含量也相當豐富，佔質量比重的接近20%左右，這也成為了芝麻潤腸通便的一個重要原因。
