Es gibt zwei Hauptkategorien von Milchproteinen, die durch ihre chemische Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften grob definiert werden.
Die Hauptgruppe der Milchproteine sind die Kaseine und bilden die größten Strukturen im flüssigen Teil der Milch – die Kaseinmizellen. Jede Kaseinmizelle ist etwa kugelförmig und hat einen Durchmesser von etwa einem Zehntel Mikrometer. Die Kaseinfamilie enthält Phosphor, und dieser hohe Phosphatgehalt der Kaseinfamilie ermöglicht es ihr, sich mit Kalzium zu verbinden und Kalziumphosphatsalze zu bilden. Kaseine haben eine geeignete Aminosäurenzusammensetzung, die für das Wachstum und die Entwicklung von Säuglingen wichtig ist. Insgesamt machen sie etwa 76 bis 86 % des Milcheiweißes aus.
Milch enthält neben Kaseinen Dutzende anderer Eiweißarten, darunter auch Enzyme. Diese Proteine sind besser wasserlöslich als Kaseine und bilden keine größeren Strukturen. Diese Proteine bleiben in der Molke suspendiert und verbleiben, wenn die Kaseine zu Quark gerinnen, und werden als Molkenproteine bezeichnet.
Andere Molkenproteine sind die Immunglobuline (Antikörper, die in Colustrum vorkommen) und Serumalbumine – ein Serumprotein. Zu den Molkenproteinen gehören auch Enzyme, Hormone, Wachstumsfaktoren, Nährstofftransporter, Krankheitsresistenzfaktoren und andere. Die Molkenproteinfamilie besteht zu etwa 50 % aus Beta-Lactoglobulinen, zu 20 % aus Alpha-Lactalbumin, Lactoferrinen, Transferrinen und vielen kleineren Proteinen. Sie enthalten auch eine große Menge an schwefelhaltigen Aminosäuren. Molkenproteine machen etwa 20 % des Gewichts der Proteine in der Milch aus. Lactoglobulin ist mit großem Abstand das häufigste Molkenprotein.