Το πετιμέζι αποτελείται από νερό, σάκχαρα όπως η σακχαρόζη (κοινή ζάχαρη) μαζί με τη γλυκόζη και τη φρουκτόζη, οργανικά και ανόργανα οξέα (τρυγικό, μηλικό και φωσφορικό οξύ), ζύμες, αζωτούχες ενώσεις με την μορφή νιτρικών αλάτων, πηκτίνες με την μορφή σύνθετων σακχάρων, χρωστικές (ανθοκυάνες και φλαβόνες) και αρωματικές ενώσεις. Επίσης, περιέχει βιταμίνες Α, C και βιταμίνες της ομάδας Β, μέταλλα (κυρίως κάλιο, ασβέστιο, φώσφορο και σίδηρο), πολυφαινόλες και αντιοξειδωτικά.