زعفران حاوی مواد معدنی، آب، موسیلاژ، چربی، موم و یک اسانس معطر با کمی سینئول (Cineol ) و مواد مؤثره از سه هتروزید به نام پیکرورتین (Picroretine ) ، پیکروکروسین (Picrocrocine ) و کروسین (Crocine ) میباشند . کلاله زعفران که در واقع قسمت اصلی زعفران تجارتی را تشکیل می دهد دارای رنگ،طعم وعطر مخصوصی است که هریک از این ویژگی ها مربوط به یک دسته از ترکیبات شیمیایی خاص می باشد که تاکنون برخی از آنها شناخته شده است.
رنگ زعفران
عامل اصلی ایجادقدرت رنگی کلاله های زعفران ترکیبی بنام کروسین به فرمول شیمیایی 24 O 64 H 44 C می باشد. کروسین یکی از چند کاروتنوئید محدود موجود در طبیعت است که به آسانی در آب حل می شود. این حلالیّت یکی از دلایل کاربرد وسیع آن به عنوان رنگ دهنده در مواد غذایی ودارویی نسبت به سایر کاروتنوئیدها می باشد. این ماده برای اوّلین بار توسط Solomon و Carrar به شکل کریستال بدست آمد.علاوه بر کروسین،زعفران حاوی آگلــیکون کروستین به صــورت آزاد و مقادیر کمی رنگدانه آنتوسیانین می باشد . همچنین رنگدانه های محلول در چربی شامل لیکوپن ، آلفا کاروتن، بتا کاروتن و زیگزانتین در آن وجود دارد . قدرت رنگی زعفران یکی از پارامترهای عمده تعیین کننده کیفیّت زعفران می باشد که با اندازه گیری میزان ترکیبات رنگی موجود در آن در طول موج 440 نانومتر بوسیله اسپکتروفتومتر مورد ارزیابی قرار میگیرد.
طعم زعفران
عمده ترین ترکیب ایجاد کننده طعم تلخ در زعفران گلیکوزیدی بی رنگ بنام پیکروکروسین با فرمول شیمیایی C 16 H 26 O 7 است. این ماده تلخ و قابل تبلور است و از طریق هیدرولیز اسید، گلوکز و آلدئیدی به نام سافرانال تولید می کند.
ترکیبات معطره
عطر زعفران مربوط به روغن های فرار موجود درآن می باشد. این ماده بسیار روان و مایعی بی رنگ از رده ترپن ها (C 10H 16) است که بوی شدید زعفران مربوط به آن می باشد.اسانس های استخراجی به سادگی اکسیژن جذب نموده و به مایع غلیظ و قهوه ای رنگی به نام سافرانال C 10H 14O 2 تبدیل می شوند. اسانس های روغنی زعفران فوق العاده ناپایدار می باشند و در تجارت قابل عرضه نمی باشند، ولی به جای آنها تنتور الکلی زعفران جهت عطر و طعم دهندگی به غذا و استفاده در عطرسازی به کار می رود.
مهمترین ترکیبات موجود در زعفران شامل ترکیبات زرد رنگ که به خوبی در آب محلول اند (مشتقات کروستین)، ترکیبات تلخ از جمله پیکروکروسین که به ویژه مقوی معده می باشند ، مواد معطر که مهمترین ترکیب آن سافرانال می باشد و گاهی تا 1 درصد زعفران را تشکیل می دهد ، روغن ثابت به میزان حداکثر 10 درصد، رطوبت حدود 13-10 درصد و ترکیبات معدنی که در حدود 5 درصد می باشد.
بطوراصولی تغییرات آب وهوا و شرایط جغرافیایی بر روی کمیّت و کیفیّت مواد مؤثر گیاهان کاملاً تأثیر گذاراست و گیاهانی که در نقاط مختلف دنیا کشت و برداشت می شوند، ممکن است دارای مواد و درنتیجه اثرات مختلف و یا ارزش های درمانی و یا مثلاً سمی مختلف باشند. یکی از مواد موجود در زعفران که مقادیر زیاد آن باعث سمیت می شود، ماده ای به نام Safranal است که جزو مواد اصلی زعفران است. تحقیقات انجام شده در ایران نشان می دهد که زعفران ایرانی دارای درصد کمتری از Safranal نسبت به زعفران نقاط مختلف جهان است و این مسئله یکی از بزرگترین مزیت ها و تفاوت های بین زعفران ایرانی و غیر ایرانی است.

آنالیز تقریبی ترکیبات تشکیل دهنده زعفران تجاری در زیر آمده است:
رطوبت 10 درصد
مواد محلول در آب (شامل) 53 درصد
قندها 14 درصد
صمغ‌ها 10 درصد
پنتوزان ‌ها 8 درصد
پکتین 6 درصد
نشاسته 6 درصد
a- کروسین 2 درصد
سایر کاروتنوییدها 1 درصد
پروتیین (25/6×N) 12 درصد
مواد معدنی (خاکستر) 6 درصد
خاکستر غیرمحلول در اسید 0.5 درصد
روغن ‌های غیرفرار 6 درصد
روغن ‌های فرار 1 درصد
فیبرخام 5 درصد
ویتامین غنی از ریبوفلاوین (B2) و مقدار کمی تیامین (B1)