В траве тысячелистника содержится около 0,25–0,8% (иногда до 1,4%) эфирного масла. Его количество в значительной мере зависит от периода вегетации растения: в раннем периоде вегетации его содержание составляет 0,13%, во время цветения — 0,34%. В состав эфирного масла входят сесквитерпеноиды: ахиллин, ацетилбалхинолид, кариофиллен, проазулен; монотерпеноиды: камфора, туйол, цинеол, пинен, борнеол. Кроме того, в траве тысячелистника обнаружены алкалоид ахилеин, флавоноиды, в том числе флавоновые гликозиды апигенин и лютеолин; дубильные вещества, горькое соединение ахилеин, витамины К, С, А; амины: холин, стахидрин; сложные эфиры, кариофиллен, муравьиная, уксусная и изовалериановая кислоты.