Der er to hovedkategorier af mælkeproteiner, som er bredt defineret ved deres kemiske sammensætning og fysiske egenskaber.
Den primære gruppe af mælkeproteiner er kaseinerne og udgør de største strukturer i den flydende del af mælken – kaseinmicellerne. Hver kaseinmicelle er nogenlunde kugleformet og har en diameter på omkring en tiendedel af en mikrometer. Kaseinfamilien indeholder fosfor, og dette høje fosfatindhold i kaseinfamilien gør det muligt for den at forbinde sig med calcium og danne calciumfosfat-salte. Kaseiner har en passende aminosyresammensætning, som er vigtig for vækst og udvikling af de ammende unger. Tilsammen udgør de ca. 76-86 vægtprocent af proteinet i mælk.
Mælk indeholder snesevis af andre typer proteiner end kaseiner og herunder enzymer. Disse proteiner er mere vandopløselige end kaseiner og danner ikke større strukturer. Disse proteiner forbliver suspenderet i valle, der er tilbage, når kaseinerne koagulerer til ostemasse, og kaldes samlet set for valleproteiner.
Andre valleproteiner er immunoglobulinerne (antistoffer, der findes i colustrum) og serumalbuminer – et serumprotein. Valleproteiner omfatter også enzymer, hormoner, vækstfaktorer, næringsstoftransportører, sygdomsresistensfaktorer og andre. Valleproteinfamilien består af ca. 50 % beta-lactoglobuliner, 20 % alfa-lactalbumin, lactoferriner, transferriner og mange mindre vigtige proteiner. De indeholder også en stor mængde svovlholdige aminosyrer. Valleproteiner udgør ca. 20 vægtprocent af proteinerne i mælk. Lactoglobulin er med stor margen det mest almindelige valleprotein.