芝麻是一种重要的油料作物，在其籽粒的成分中，油分占了一半以上，其次是蛋白质，约占22%。碳水化合物的含量很少。

芝麻油脂是由多种脂肪酸和甘油形成的甘油酯，其中的脂肪酸以油酸和亚油酸为主，分别占到脂肪酸总量的45.4%和40.4%。由于含有特殊的吡嗪、呋喃、醛、酮、醇、酸、脂等成分， 所以具有特别的香味。

芝麻的油分是由光合作用所生成的碳水化合物在各种生物酶的作用下，经过复杂的生物化学反应形成的。当芝麻开花受精以后，在其籽粒灌浆的同时，叶片和其他光合器官光合作用所产生的碳水化合物就被源源不断地输送到籽粒中， 在酶的作用下， 转化为磷酸丙糖。

磷酸丙糖再在酶的作用下，一部分还原为甘油，一部分转化为活性醋酸后， 再进一步转化为脂肪酸。然后，在脂肪酶的催化下，脂肪酸与甘油合成为甘油酯，也就是芝麻油。芝麻油分在籽粒中的积累过程，是与籽粒灌浆同步进行的。因此这一过程也与籽粒灌浆一样，先慢后快再慢，呈-S形曲线。

据中国农科院油料作物研究所的观测，在芝麻开花后的前10天，其籽粒内油分积累很少，开花后10天～30天，油分在不断增加，但以开花后15天～20天增加最快。到开花后30天达到极大值， 以后反有下降趋势。由于在芝麻油的形成过程中，必须有许多生物酶的参与，而磷与钾元素是这些酶的必不可少的成分或活化剂，因此芝麻和其他许多油料作物一样，特别喜欢磷、钾肥。
芝麻籽粒的含油量，因品种不同有很大差异，含油量高的品种可达到60%左右， 而含油量低的品种仅45%左右。同一芝麻品种的含油量因受气候和栽培条件影响而有差异，一般说来，温度高，日照充足，水肥供应良好，不但有利于芝麻籽粒灌浆，也有利于其油分积累。而低温寡照、旱涝灾害则会使芝麻油分大幅度下降。据研究，芝麻开花至成熟期间的积温在1700度时，可以保持品种固有的含油量，积温在1400℃以下时，其含油量就明显下降；水分对芝麻种子油分的形成也起着重要作用，在芝麻生长过程中，土壤水分和大气湿度过大或过小都会严重降低种子的含油量；增施磷钾肥可以提高种子的含油量。