ธัญพืชมีโปรตีน 8-12% เนื่องจากชั้นนอกของเมล็ดข้าวมีปริมาณโปรตีนสูงกว่าชั้นใน ข้าวและแป้งขัดสีเนื่องจากมีการนำรำข้าวชั้นนอกออกมากเกินไป จึงมีปริมาณโปรตีนต่ำกว่าข้าวและแป้งไม่ขัดสี ตัวอย่างเช่น คุณค่าทางสรีรวิทยาของโปรตีนในข้าวทั้งเมล็ดคือ 72.7 ในขณะที่ข้าวขาวขัดสีลดลงเหลือ 66.2 โปรตีนจากธัญพืชมีไลซีน ฟีนิลอะลานีน และเมไทโอนีนต่ำ ข้าวฟ่างและแป้งสาลีมีไลซีนต่ำเป็นพิเศษ ข้าวโพดขาดทั้งไลซีนและทริปโตเฟน ดังนั้นควรบริโภคธัญพืชหลายชนิดร่วมกันหรือควรผสมธัญพืชกับผลิตภัณฑ์จากสัตว์เพื่อเพิ่มคุณค่าทางสรีรวิทยาของโปรตีนจากธัญพืช
ซีเรียลมีปริมาณไขมันค่อนข้างต่ำประมาณ 2% แต่ข้าวโพดและลูกเดือยสามารถเข้าถึงได้ถึง 4% ส่วนใหญ่พบในชั้นอะลูโรนและจมูกข้าว ไขมันส่วนใหญ่เป็นกรดไขมันไม่อิ่มตัว โดยมีฟอสโฟลิพิดในปริมาณเล็กน้อย น้ำมันจมูกข้าวมีวิตามินอีในปริมาณค่อนข้างสูงซึ่งมีคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระ
ธัญพืชไม่เพียงแต่มีคาร์โบไฮเดรตจำนวนมาก (ประมาณ 70-80%) เท่านั้น แต่ส่วนใหญ่เป็นแป้งด้วย แป้งธัญพืชแบ่งออกเป็นสองประเภทตามโครงสร้างโมเลกุล: อะมิโลสและอะมิโลเพคติน ความแตกต่างของความสามารถในการละลาย ความหนืด และความสามารถในการย่อย รวมถึงสัดส่วนที่แตกต่างกันในธัญพืชต่างๆ ส่งผลโดยตรงต่อลักษณะการประมวลผลและรสชาติ คาร์โบไฮเดรตจากธัญพืชมีอัตราการใช้ประโยชน์สูงเกิน 90% ทำให้เป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญสำหรับร่างกายมนุษย์
ธัญพืชเป็นแหล่งวิตามินบีที่สำคัญ โดยเฉพาะวิตามินบี 1 บี 2 และไนอาซิน ข้าวฟ่างและข้าวโพดมีแคโรทีน จมูกธัญพืชมีวิตามินอีจำนวนมาก โดยวิตามินเหล่านี้ส่วนใหญ่จะเข้มข้นอยู่ที่จมูกข้าว ชั้นอะลูโรน และรำข้าว ดังนั้นข้าวขาวและแป้งขัดสีจึงมีวิตามินอีน้อยมาก
ธัญพืชมีเกลืออนินทรีย์ประมาณ 1.5% โดยส่วนใหญ่เป็นฟอสฟอรัสและแคลเซียม นอกจากนี้ยังมีแมกนีเซียมในปริมาณมาก เกลืออนินทรีย์เหล่านี้ส่วนใหญ่มีความเข้มข้นในรำข้าวและชั้นอะลูโรน ข้าวและแป้งแปรรูปหยาบซึ่งคงรำไว้บางส่วน มีปริมาณเกลืออนินทรีย์สูงกว่าธัญพืชขัดสี แคลเซียมและฟอสฟอรัสในธัญพืชส่วนใหญ่อยู่ในรูปของไฟเตต ซึ่งร่างกายไม่สามารถดูดซึมและนำไปใช้ได้ง่าย จากการศึกษาของนักวิชาการต่างประเทศ ธัญพืชประกอบด้วยไฟเตส ซึ่งสามารถสลายไฟเตตเพื่อปล่อยแคลเซียมและฟอสฟอรัสอิสระ เพิ่มการดูดซึมของแร่ธาตุเหล่านี้ ไฟเตสนี้มีฤทธิ์มากที่สุดที่อุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส เมื่อข้าวหรือแป้งถูกนึ่ง ต้ม หรืออบ ไฟเตตประมาณ 60% จะสามารถไฮโดรไลซ์และดูดซึมได้