芝麻是一種重要的油料作物，在其籽粒的成分中，油分占了一半以上，其次是蛋白質，約占22%。碳水化合物的含量很少。

 芝麻油脂是由多種脂肪酸和甘油形成的甘油酯，其中的脂肪酸以油酸和亞油酸為主，分別占到脂肪酸總量的45.4%和40.4%。由于含有特殊的吡嗪、呋喃、醛、酮、醇、酸、脂等成分， 所以具有特別的香味。

 芝麻的油分是由光合作用所生成的碳水化合物在各種生物酶的作用下，經過復雜的生物化學反應形成的。當芝麻開花受精以后，在其籽粒灌漿的同時，葉片和其他光合器官光合作用所產生的碳水化合物就被源源不斷地輸送到籽粒中， 在酶的作用下， 轉化為磷酸丙糖。

 磷酸丙糖再在酶的作用下，一部分還原為甘油，一部分轉化為活性醋酸后， 再進一步轉化為脂肪酸。然后，在脂肪酶的催化下，脂肪酸與甘油合成為甘油酯，也就是芝麻油。芝麻油分在籽粒中的積累過程，是與籽粒灌漿同步進行的。因此這一過程也與籽粒灌漿一樣，先慢后快再慢，呈-S形曲線。

據中國農科院油料作物研究所的觀測，在芝麻開花后的前10天，其籽粒內油分積累很少，開花后10天～30天，油分在不斷增加，但以開花后15天～20天增加最快。到開花后30天達到極大值， 以后反有下降趨勢。由于在芝麻油的形成過程中，必須有許多生物酶的參與，而磷與鉀元素是這些酶的必不可少的成分或活化劑，因此芝麻和其他許多油料作物一樣，特別喜歡磷、鉀肥。
芝麻籽粒的含油量，因品種不同有很大差異，含油量高的品種可達到60%左右， 而含油量低的品種僅45%左右。同一芝麻品種的含油量因受氣候和栽培條件影響而有差異，一般說來，溫度高，日照充足，水肥供應良好，不但有利于芝麻籽粒灌漿，也有利于其油分積累。而低溫寡照、旱澇災害則會使芝麻油分大幅度下降。據研究，芝麻開花至成熟期間的積溫在1700度時，可以保持品種固有的含油量，積溫在1400℃以下時，其含油量就明顯下降；水分對芝麻種子油分的形成也起著重要作用，在芝麻生長過程中，土壤水分和大氣濕度過大或過小都會嚴重降低種子的含油量；增施磷鉀肥可以提高種子的含油量。