Existují dvě hlavní kategorie mléčných bílkovin, které jsou obecně definovány svým chemickým složením a fyzikálními vlastnostmi.
Primární skupinou mléčných bílkovin jsou kaseiny a tvoří největší struktury v tekuté části mléka – kaseinové micely. Každá kaseinová micela má zhruba kulovitý tvar a průměr asi desetinu mikrometru. Skupina kaseinů obsahuje fosfor a tento vysoký obsah fosfátů skupině kaseinů umožňuje spojovat se s vápníkem a vytvářet fosforečnanové soli vápníku. Kaseiny mají vhodné složení aminokyselin, které je důležité pro růst a vývoj kojených mláďat. Dohromady tvoří asi 76-86 % hmotnostních bílkovin v mléce.
Mléko obsahuje kromě kaseinů desítky dalších typů bílkovin včetně enzymů. Tyto bílkoviny jsou rozpustnější ve vodě než kaseiny a netvoří větší struktury. Tyto bílkoviny zůstávají suspendovány v syrovátce, zůstávají po srážení kaseinů do sýřeniny a souhrnně se nazývají syrovátkové bílkoviny.
Dalšími syrovátkovými bílkovinami jsou imunoglobuliny (protilátky obsažené v kolostru) a sérové albuminy – sérové bílkoviny. Mezi syrovátkové bílkoviny patří také enzymy, hormony, růstové faktory, přenašeče živin, faktory odolnosti vůči nemocem a další. Rodinu syrovátkových bílkovin tvoří přibližně 50 % beta-laktoglobulinů, 20 % alfa-laktalbuminů, laktoferiny, transferiny a mnoho menších bílkovin. Obsahují také velké množství aminokyselin obsahujících síru. Syrovátkové bílkoviny tvoří přibližně 20 % hmotnostních bílkovin v mléce. Nejrozšířenější syrovátkovou bílkovinou je s velkým náskokem laktoglobulin
.