Melisa lekarska znajdują się duże ilości olejków eterycznych, które posiadają związki trepenowe (cytral, linalol i cytronelal), nadające jej delikatny cytrusowy aromat. Pozostałymi substancjami aktywnimi są garbniki, fenolokwasy (kawowy, rozmarynowy i felurolowy) oraz goryczce, jak również związki triterpenowe, śluzy, flawonoidy oraz kwasy organiczne. Melisa jest także dobrym źródłem witaminy C a także soli mineralnych.