烏頭各部分含生物堿，其中主為烏頭堿。烏頭堿水解后生成烏頭原堿、醋酸及苯甲酸。

葉中還含肌醇及鞣質。多根烏頭含有烏頭堿、準噶爾烏頭堿、準噶爾烏頭胺、多根烏頭堿、多根烏頭定堿、烏頭芬堿。準噶爾烏頭根含總生物堿量1.5%，主要為烏頭堿，準噶爾烏頭堿。地上部分含總生物堿量0.7%，主要為準噶爾烏頭堿。亞東烏頭含有生物堿為偽烏頭堿。紫草烏地上部分(葉和梗)含生物堿0.58%，其中分出結晶生物堿稱紫草烏堿0.43%。據(jù)報道，日本產(chǎn)烏頭除含烏頭堿和新烏頭堿外，還有次烏頭堿、惰堿。