Chemie esenciálních olejů je poměrně složitá. V rostlinné podobě se vlastnosti mění v jednotlivých fázích dne (například podle slunečního svitu) a roku, také v závislosti na části rostliny, ze které jsou látky destilovány (kořen, dřevo, kůra, listy, stonek, květ, semeno), odrůdě, typu půdy, a dokonce i klimatu. Oleje jsou složeny převážně z terpenů, seskviterpenů, esterů, alkoholů, fenolů, aldehydy, ketonů a organických kyselin.
Obsahují vitamíny, hormony, antibiotika a antiseptické prostředky. Výnos z esenciálních olejů se pohybuje mezi 0,005 a 10 procent hmotnosti rostliny. K výrobě 1 kg eukalyptového oleje je například potřeba 50 kg rostlin, v případě levandulového oleje až 150 kg rostlin. U šalvěje, tymiánu či rozmarýnu je poměr ještě vyšší – 500 kg rostlin na 1 kg oleje. A například u růžového oleje mohou být zapotřebí až 3 000 kg na 1 kg čistého oleje.