Sự khác biệt trong thành phần hóa học của thực phẩm hữu cơ và thực phẩm thông thường được nghiên cứu và xem xét trên các phương diện: chất dinh dưỡng, chất chống hấp thụ dinh dưỡng và dư lượng thuốc trừ sâu. Những nghiên cứu về sự khác biệt này thường bị đảo lộn bởi nhiều nhân tố và rất khó để khái quát do sự khác biệt trong các phân tích đã được thực hiện, các phương pháp thử nghiệm, và những thay đổi bất thường của nông nghiệp ảnh hưởng đến các thành phần hóa học của thực phẩm; những biến động trong thời tiết (mùa này sang mùa cũng như nơi này đến nơi); biện pháp canh tác (phân bón, thuốc trừ sâu, …); thành phần hóa học của đất trồng; các giống cây được sử dụng, và trong trường hợp của thịt và các sản phẩm sữa là các yếu tố trong kỹ thuật chăn nuôi.[2][5] Sơ chế thực phẩm sau khi thu hoạch (cho dù là sữa tiệt trùng hay nguyên liệu), chiều dài của thời gian giữa thu hoạch và phân tích, cũng như điều kiện vận chuyển và lưu trữ, cũng ảnh hưởng đến các thành phần hóa học của mặt hàng thực phẩm.[2][5] Ngoài ra, có bằng chứng cho rằng sản phẩm hữu cơ là khô hơn các sản phẩm phát triển thông thường. Thông thường điều này giải thích hương vị cao hơn là do nồng độ cao hơn chứ không phải là do lượng tốt hơn.[3]

Chất dinh dưỡng

Thực phẩm hữu cơ không giàu vitamin và khoáng chất hơn so với thực phẩm thông thường, kết luận do các nhà nghiên cứu trong một tổng kết được công bố tháng 9 năm 2009 trên tạp chí American Journal of Clinical Nutrition. Nhiều người cho rằng thực phẩm hữu cơ có hàm lượng các chất dinh dưỡng lớn hơn và do đó đem lại lợi ích sức khỏe lớn hơn sản phẩm nông nghiệp thông thường. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không chứng minh thuyết phục được rằng đây là kết quả phù hợp.[34]

Các kết quả của phân tích chỉ rút ra được kết luận trong sản phẩm hữu cơ lượng nitơ thấp hơn và hàm lượng phốt pho cao hơn sản phẩm thông thường. Hàm lượng của các chất dinh dưỡng hoặc các hợp chất khác không có sự khác biệt giữa hai loại thực phẩm hữu cơ và thông thường: Vitamin C, canxi, kali, tổng chất rắn hòa tan, đồng, sắt, nitrat, mangan, natri.[35]

Trong năm 2014 phân tích 343 mẫu nghiên cứu[2] cho thấy cây trồng hữu cơ có nồng độ polyphenol cao hơn 17% so với các cây trồng thông thường. Nồng độ các axit phenolic, flavanon, stilben, flavon, flavonol, và anthocyanin được tăng lên, và đặc biệt là với flavanon cao hơn 69% thực phẩm thông thường.

Khảo sát năm 2012 của các nhà khoa học đã không tìm thấy sự khác biệt đáng kể trong hàm lượng vitamin của sản phẩm động thực vật nuôi trồng hữu cơ và nuôi trồng thông thường.[5]

Một đánh giá năm 2011 phát hiện ra rằng các loại thực phẩm hữu cơ có một vi chất dinh dưỡng cao hơn tổng thể so với thực phẩm sản xuất thông thường.[36] Trong thịt gà hữu cơ chứa hàm lượng cao các axit béo omega-3 hơn thịt gà thường. Các tác giả nhận thấy không có sự khác biệt trong hàm lượng các protein hay chất béo của sữa hữu cơ và sữa thông thường.[37]

Một nghiên cứu năm 2016 phân tích thấy rằng thịt hữu cơ có nồng độ các chất béo bão hòa và chất béo không bão hòa đơn tương đương hoặc thấp hơn thịt thông thường, nhưng lại thấy mức độ cao hơn của cả axit béo omega-3 tổng thể và các axit béo không bão hòa đa.[38]

Chất ức chế hấp thụ dinh dưỡng

Lượng nitơ trong các loại thực phẩm, đặc biệt là rau ăn lá và ăn củ, được tìm thấy trong các sản phẩm hữu cơ thấp hơn các sản phẩm thông thường.[4] Khi đánh giá độc tố môi trường như các kim loại nặng, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã lưu ý rằng gà nuôi hữu cơ có thể hấp thụ asen thấp hơn.[39] Đánh giá này sớm tìm được bằng chứng về nồng độ asen, cadmi hoặc các kim loại nặng khác có sự khác biệt đáng kể giữa các sản phẩm thực phẩm hữu cơ và thông thường.[3][4] Đánh giá năm 2014 lại cho thấy nồng độ cadmi trong các hạt phát triển thu từ canh tác hữu cơ là thấp hơn.[2]

Dư lượng thuốc bảo vệ thực vật

Lượng thuốc bảo vệ thực vật còn lại trong hoặc trên thực phẩm được gọi là dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Tại Hoa Kỳ, trước khi một loại thuốc bảo vệ thực vật có thể được sử dụng trên một cây lương thực, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ phải xác định xem loại thuốc bảo vệ thực vật đó có thể được sử dụng mà không gây ra nguy cơ nào đối với sức khỏe con người hay không.[40]

Một phân tích tổng hợp năm 2012 xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật có thể phát hiện trong 7% mẫu sản phẩm hữu cơ và 38% mẫu sản phẩm thông thường. Kết quả này là không đồng nhất về mặt thống kê, có khả năng là do mức độ biến thiên của sự phát hiện được sử dụng trong các nghiên cứu này. Chỉ có ba nghiên cứu báo cáo tỷ lệ ô nhiễm vượt quá giới hạn tối đa cho phép; tất cả các nghiên cứu này đều đến từ Liên minh châu Âu.[5] Một phân tích tổng hợp năm 2014 cho thấy rằng dư lượng thuốc bảo vệ thực vật ở các sản phẩm thông thường có thể cao gấp 4 lần sản phẩm từ canh tác hữu cơ.[2]

Hiệp hội Ung thư Hoa Kỳ đã tuyên bố rằng không có bằng chứng về tăng nguy cơ ung thư từ dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trên thực phẩm thông thường, tuy nhiên họ vẫn khuyên nên rửa kỹ trái cây và rau quả. Họ cũng đã tuyên bố rằng không có nghiên cứu cho thấy thực phẩm hữu cơ làm giảm nguy cơ ung thư so với các loại thực phẩm được trồng với phương pháp canh tác thông thường.[41]

Cơ quan Bảo vệ môi trường duy trì hướng dẫn nghiêm ngặt về quy chế của thuốc bảo vệ thực vật bằng cách thiết lập một tiêu chuẩn hàm lượng dư lượng thuốc bảo vệ thực vật được phép có trong hoặc trên bất kỳ thực phẩm nào.[42][43] Mặc dù một số dư lượng có thể vẫn sót lại vào thời điểm thu hoạch, dư lượng có xu hướng giảm khi các loại thuốc bảo vệ thực vật bị phân hủy hoặc rửa trôi theo thời gian. Ngoài ra khi hàng hóa được rửa sạch và xử lý trước khi bán cũng khiến dư lượng được giảm hơn nữa.

Nhiễm khuẩn

Một phân tích năm 2012 xác định tỷ lệ E.coli ô nhiễm là không đáng kể về mặt thống kê (7% trong sản phẩm hữu cơ và 6% trong sản xuất thông thường). Trong khi nhiễm khuẩn thường gặp ở cả hai sản phẩm động vật hữu cơ và thông thường, sự khác biệt về tỷ lệ nhiễm khuẩn giữa các sản phẩm động vật hữu cơ và thông thường cũng không đáng kể về mặt thống kê.[5]