Все части растения содержат много биологически активных веществ: кора – тритерпеноиды, стероиды, алкалоиды, витамин С, дубильные вещества, хиноны (юглон и др.); листья – альдегиды, эфирное масло, алкалоиды, витамины С, РР, каротин, фенолкарбоновые кислоты, дубильные вещества, кумарины, флавоноиды, антоцианы, хиноны и высокие ароматические углеводороды; околоплодник – органические кислоты, витамин С, каротин, фенолкарбоновые кислоты, дубильные вещества, кумарины и хиноны.
В зеленых орехах найдены витамины С, B1, B2, PP, каротин и хиноны, в зрелых – стерины, витамины С, B1, B2, РР, каротин, дубильные вещества, хиноны и жирное масло, в состав которого входят линолевая, линоленовая, олеиновая, пальмитиновая и другие кислоты, а также клетчатка, соли железа и кобальта. Скорлупа содержит фенолкарбоновые кислоты, дубильные вещества и кумарины; пелликула (тонкая бурая кожица, покрывающая плод) – стероиды, фенолкарбоновые кислоты, дубильные вещества и кумарины.
Зрелые орехи содержат витамины: A, B1, B2, В3, B12,С, К, Е, РР, каротин, дубильные вещества, ситостероны, хиноны, линолиевую, линоленовую кислоту, галлотанины, юглон, эфирное масло, фитонциды, небольшое количество галловой и элаговой кислот. Богаты они минеральными элементами: фосфором 390 – 600 мг, калием 600 – 1300 мг, магнием 150 – 250 мг, кальцием 85 – 180 мг, серой 50 – 100 мг, железом 5 – 25 мг, алюминием 5 – 10 мг, марганцем 2 – 15 мг, цинком 2,5 – 6 мг, гораздо меньше в них йода, кобальта, меди, стронция, хрома, фтора, никеля.
В семядолях ореха сосредоточены все необходимые и главные аминокислоты: глютатион, цистин, лизин, гистадин, аргинин, аспарагеновая и глютаминовая кислоты, аланин, пролин, валин.
В листьях грецкого ореха количество витамина С по мере развития постепенно увеличивается и достигает максимума в середине вегетационного периода. Главную ценность листьев составляет большое количество каротина. Кроме того, найдены дубильные вещества и красящее вещество юглон, обладающее бактерицидным действием, следы эфирного масла.