Es besteht vorwiegend aus Triglyceriden mit Myristinsäure als dominierender Fettsäure, darüber hinaus enthält es etwa 10 bis 15 Prozent ätherisches Öl.
Mädesüß enthält unter anderem Salicylate, Flavonoide, Gerbsäuren, ätherisches Öl und Zitronensäure, außerdem ein schwach giftiges Glykosid, das bei entsprechend hoher Dosierung Kopfschmerzen auslösen kann.
Wirksamkeitsbestimmende Inhaltsstoffe sind bizyklische Diterpene, Iridoidglykoside, lipophile Flavonoide, Triglyceride, Öl- und Linolsäure sowie ätherisches Öl.
Melissenblätter enthalten 4 bis 7 % Hydroxyzimtsäure-Derivate, vor allem Rosmarinsäure (die sogenannten Labiatengerbstoffe), aber auch Chlorogensäure, Kaffeesäure und ätherisches Öl ist zu 0,05 bis 0,3 %, in Zuchtsorten bis zu 0,8 % enthalten.
Das Rhizom enthält ein ätherisches Öl, das mit zunehmendem Alter einen feinen Veilchenduft verströmt und in der Antike zur Würze des Weins oder zur Beseitigung von Mund- beziehungsweise Schweißgeruch diente.
