Плоды тмина содержат эфирное масло, в состав которого входит карвон, лимонен, трансдигидрокарвон, дигидрокарвеол и многие другие биологически активные вещества, а также стероиды, кумарины, флавоноиды, жирное масло, воск, смолы, дубильные вещества, протеин, микроэлементы (железо, цинк, медь, стронций, ванадий, молибден, никель, марганец).
В траве и плодах найдены флавоноиды, кверцитин, кемпферол, рутин, изокверцитин и др. В корнях обнаружена аскорбиновая кислота, кумарины, флавоноиды.