Er zijn twee grote categorieën melkeiwitten die in grote lijnen worden gedefinieerd door hun chemische samenstelling en fysische eigenschappen.
De primaire groep melkeiwitten zijn de caseïnen en vormen de grootste structuren in het vloeibare gedeelte van de melk – de caseïnemicellen. Elke caseïnemicel is ruwweg bolvormig en ongeveer een tiende van een micrometer in doorsnee. De caseïne-familie bevat fosfor en dit hoge fosfaatgehalte van de caseïne-familie stelt deze in staat zich met calcium te associëren en calciumfosfaatzouten te vormen. Caseïne heeft een geschikte aminozuursamenstelling die belangrijk is voor de groei en ontwikkeling van het zogende jong. Gezamenlijk maken zij ongeveer 76 tot 86 gewichtspercenten uit van de eiwitten in melk.
Melk bevat naast caseïnen nog tientallen andere soorten eiwitten, waaronder enzymen. Deze eiwitten zijn beter oplosbaar in water dan caseïne en vormen geen grotere structuren. Deze eiwitten blijven in suspensie in de wei, die overblijft wanneer de caseïnen stollen tot wrongel en worden collectief aangeduid als wei-eiwitten.
Andere wei-eiwitten zijn de immunoglobulinen (antilichamen die in colustrum worden aangetroffen) en serumalbumines – een serumeiwit. Wei-eiwitten omvatten ook enzymen, hormonen, groeifactoren, voedingsstoftransporteurs, ziekteresistentiefactoren en andere. De wei-eiwitfamilie bestaat uit ongeveer 50% bèta-lactoglobulinen, 20% alfa-lactalbumine, lactoferrinen, transferrinen, en vele minder belangrijke eiwitten. Zij bevatten ook een grote hoeveelheid zwavelhoudende aminozuren. Wei-eiwitten maken ongeveer 20% van het gewicht van de eiwitten in melk uit. Lactoglobuline is met grote voorsprong het meest voorkomende wei-eiwit.