カフェインは、お茶の苦みに関与するといわれており、お茶以外にもコーヒーやコーラ飲料などにも含まれています。それぞれの実もしくは葉に含まれるカフェインと、飲料中のカフェイン含有量は以下のとおりです。

一番茶・二番茶といった茶期によって大差はありませんが、カテキンやアミノ酸(テアニン)と同様に若い芽に多く含まれ、成熟した芽では減少する傾向にあります。
ほうじ茶のように高温で焙煎するお茶では、カフェインは昇華（固体から気体に直接変化する現象）するため、少なくなるといわれています。

カフェインの主な作用として、覚醒作用・利尿作用などが挙げられます。
カフェインは、脳の中枢神経に興奮的に作用（覚醒作用）するため、眠気を防いで知的作業能力を向上させたり運動能力を向上させたりする効果があります。また、カフェインを摂取して適度な運動を行うと、筋肉中の栄養源（ブドウ糖＝グリコーゲン）よりも先に、脂肪をエネルギー源として利用する現象がみられ、持久力の向上に役立ちます。さらに、お茶は二日酔いにも効果があるといわれますが、これもカフェインの働きによってアルコールの代謝が高められるためです。
また、歴史的にみて人類がお茶を嗜好飲料として飲むようになったのは、カフェインの作用によって気分が爽快になるためだと考えられています。