脂質は少量で多くのエネルギーを生産する効率の良いエネルギー源で、燃焼されない分は体脂肪として体内に蓄積されます。また、脂質はビタミンA、D、E、Kなどをよく溶かすため、これらの脂溶性ビタミン類の吸収を助ける働きもしています。
牛乳の脂質は「乳脂肪」といい、脂肪球の形で1mL中に20億～60億個含まれています。乳脂肪の成分はトリアシルグリセロールが脂質全体の97～98％を占め、脂肪球の表面にはリン脂質やコレステロール、脂溶性ビタミンなどが存在します。乳脂肪はリン脂質とたんぱく質を構成成分とする膜に包まれ、脂肪球同士がくっつかないような状態で牛乳中に浮遊しています。
乳脂肪は、消化過程でリパーゼという脂肪分解酵素によって脂肪酸とグリセロールにまで分解され、吸収されます。牛乳の製造過程では均質化（ホモジナイズ、脂肪球を細かく砕いて分散させること）を行い、消化吸収を良くしています（消化率94％）。胃や腸に負担をかけず体に取り入れることができる乳脂肪は、幼児や児童、高齢者や病気治療中の人にとって大切な脂質摂取源となります。
乳脂肪に含まれる脂肪酸は、飽和脂肪酸から不飽和脂肪酸まで幅広く、中でも短鎖・中鎖脂肪酸を含んでいるのが大きな特徴です［表2-7］。特に短鎖脂肪酸は、牛乳乳製品以外の食品にはほとんど含まれておらず、牛乳乳製品に特異的な成分といえます。

乳脂肪分は牛乳200mLあたり7.8gで、そのエネルギーは70kcalと牛乳全体の約半分に相当します（普通牛乳、成分無調整牛乳の場合）。脂溶性ビタミンのA、D、E、Kが脂質に溶けているため、乳脂肪はこれらビタミンの重要な供給源となります。
表2-8に示すように、コレステロールは生命を維持していくために欠かせない成分であり、体内でも合成されています。その量は、体重50kgの人で1日あたり600～650mgになります。コレステロールが不足すると細胞膜や血管がもろくなり、脳出血や神経障害などを引き起こす原因をつくります。一方、血中コレステロールや中性脂肪が高くなると脂質異常症を招き、動脈硬化やさまざまな病気を引き起こします。

食事からのコレステロール摂取量について、米国では2015年2月に米国農務省（USDA）が発表したレポートにおいて、それまで推奨していたコレステロール摂取制限をなくすことが記載されました。理由として、食事によるコレステロール摂取量と血中コレステロール量との間に明らかな関連性を示すエビデンスがないことがあげられています。実際、食事から摂取されるコレステロールは、体内で合成されるコレステロールの3分の1から7分の1にすぎず、たとえ摂取を減らしても体内でのコレステロールの合成が増えるような仕組みになっていることがわかっています。
日本でも、厚生労働省の「日本人の食事摂取基準（2020年版）」では脂質異常症の重症化予防の観点から200mg/日未満に留めることが望ましいとしつつも目標量（上限値）などは設定されていません。
厚生労働省「令和元年 国民健康・栄養調査報告」によると、日本人が1日に摂取しているコレステロールは335mgです。牛乳乳製品からの割合はその約6％と非常に少なく、しかも牛乳200mLに含まれるコレステロールはわずか25mgで、1食分の量で比較すると他の食品よりかなり低い値です。1回に食べる量ではチーズやヨーグルトなどの乳製品も含め、気にするほどではありません［図2-19］。

「牛乳摂取と血清コレステロール」についての実験結果では、日本人の成人の場合、牛乳を毎日400～600mL飲み続けても血中コレステロールの上昇はなかったと報告されています^※4。
一方、牛乳に含まれるホエイたんぱく質の分解物（ラクトスタチン）にはコレステロールの合成を阻害する作用があり、血中コレステロールを適量に保つために役立ちます。