一类存在于鲜叶和成品茶中的有色物质，是成品茶外形色泽、叶底颜色、茶汤液色的成分。茶叶色素分脂溶性和水溶性两大类。脂溶性色素主要是叶绿素、类胡萝卜素。

叶绿素是茶叶绿色的成分。存在于叶细胞中与蛋白质结合成叶绿体，是光合作用制造有机物的催化剂。茶叶叶绿素有a、b两种。叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b是黄绿色，a含量要比b高2～3倍。茶树新梢成熟叶通常呈深绿色，而幼嫩芽叶叶色呈黄绿色，是由于叶绿素总量降低，叶绿素b含量相对提高的缘故。叶绿素的颜色来自具有共轭双键的叶绿酸。叶绿素总量一般占茶叶干物质的0.4～0.8%。鲜叶离体后，叶绿素酶使部分叶绿素水解产生叶绿酸，叶绿素在酸性条件下分子中的镁原子可被氢原子取代，生成暗绿色（或绿褐色）的脱镁叶绿素（见红茶化学）。红茶中叶绿素含量一般只有鲜叶含量的5～10%。含量愈低表明在制茶过程中降解愈多，这对形成红茶品质有利。绿茶则应减少叶绿素的损失，以保证绿茶的特色。不同类型的绿茶如黄山毛峰要求叶绿素不宜过多才能呈现其特色，西湖龙井一般要超过0.4%，而屯绿、平水珠茶均在0.6%以上。水溶性色素主要是黄酮苷类物质，牡荆苷对绿茶汤色具有重要作用。

类胡萝卜素是一类具有黄色到橙红色的多种有色化合物。茶叶中已发现有17种，可分为胡萝卜素和叶黄素两大类。20世纪50年代纳奇衣山维里从茶叶中分离出胡萝卜素、新黄素、木犀黄素、堇黄素。1965年梯里门纳和维克里马辛赫测出茶叶类胡萝卜素有11种。1976～1977年S.维卡塔克里纳等先后检测茶叶中有17种类胡萝卜素的结构特点在于40个碳原子间有大量的共轭双键，形成发色团，而具有颜色。类胡萝卜素耐热、耐酸，在锌、铜、锡、铝、铁等金属存在下也不易破坏，只有强氧化作用，如儿茶类氧化物—邻醌作用，光敏氧化以及在酶促作用下可使胡萝卜素双键过氧化后发生裂解即失去颜色，分解产物之一即是具紫罗兰花气味的紫罗酮，它是茶叶中一种重要香气成分（见红茶化学）。紫罗兰酮还可进一步转化为二氢海葵内酯和茶螺烯酮等也属茶叶香气的成分。类胡萝卜素存在于茶叶细胞中的质体系，与叶绿素伴生于叶绿体中，起着辅助色素的作用。类胡萝卜素在茶叶中的含量约在2.5～132.4毫克/100克（干物质），其组分中胡萝卜素与叶黄素之比约为1∶1.3～2.5。胡萝卜素类中以β－胡萝卜素为最多，占该类总量的60～90%，叶黄素类中以玉米黄素、堇黄素为主，占该类总量的80%以上，甚至高达95%。通常嫩叶含量比成熟叶低，老叶最高。茶叶品种不同其类胡萝卜素含量也不同，如中国变种含量比阿萨姆种高一倍多。类胡萝卜素属糖分解代谢的次生物质。