Chất béo là một trong những thành phần quan trọng nhất của sữa. Hàm lượng chất béo của sữa thay đổi trong một phạm vi khá rộng. Có loại sữa ít béo, khoảng 3g trong 100ml sữa, có loại sữa nhiều chất béo khoảng 5-6g trong 100ml sữa. Đối với sữa bò hàm lượng béo khoảng 3.9%. Thông thường, chất béo chiếm khoảng 2,5 đến 6,0% thành phần sữa, tùy thuộc vào giống bòvà chế độ dinh dưỡng. Mỡ sữa tồn tại dưới dạng hạt nhỏ lơ lửng trong nước sữa. Chất béo trong một số loại sữa Hà Lan thuần(HF) Jersey Zebu Ayrshire Brown Swiss Bò Dê Cừu Chất béo(%) 3,5 5,5 4,9 4,1 4,0 3,80 4,24 5,30 Trong sữa, các hạt mỡ sữa là các hạt lớn nhất nhưng lại nhẹ nhất nên có xu hướng nổi lên bề mặt sữa khi sữa ở trạng thái tĩnh. Lớp trên cùng của sữa được tạo nên chủ yếu bằng mỡ sữa, gọi là lớp kem. Kem chính là nguyên liệu để chế biến bơ. Tầng dưới cùng là sữa không kem, bao gồm protein và các chất khác Mỡ sữa là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá sữa tươi. Do đó, cần phải khuấy sữa tươi nguyên liệu định kỳ để ngăn các hạt mỡ sữa kết dính lại với nhau. Mỡ sữa rất giàu năng lượng cho nhu cầu dinh dưỡng của con người, chính vì thế hầu hết các nhà máy chế biến sữa sẵn sàng trả giá cao hơn cho sữa có hàm lượng mỡ sữa cao Trong thành phần chất béo của sữa có tới 20 loại acid béo khác nhau, trong đó 2/3 là acid béo no và còn lại là acid béo chưa no. Trong số những acid béo trong sữa có khá nhiều acid béo dễ hòa tan trong nước (ví dụ acid caproic). Chất béo của sữa cũng dễ xảy ra những quá trình phân hủy làm thay đổi thành phần và tính chất như quá trình thủy phân, quá trình oxy hóa, làm giảm dần chất lượng của sữa và nhiều khi làm hỏng sữa. Ngoài chất béo thuộc nhóm lipit của sữa còn có photphatit và một số chất khác nhưng hàm lượng không nhiều, photphatit có khoảng 0.5-0.7g trong một lít sữa, trong đó chủ yếu là lexitin.