La caféine est la 1,3,7-triméthylxanthine, formule C₈H₁₀N₄O₂, un alcaloïde du groupe des purines, parent de la théobromine du cacao (diméthylxanthine) et de la théophylline du thé. Elle est isolée du café en 1819-1820 par le chimiste allemand Friedlieb Ferdinand Runge ; les documents de formation retiennent 1820, année de publication. Au cours du XIXᵉ siècle, on la retrouve dans le thé (où on la baptise d'abord théine), le guarana, la noix de kola et le maté : c'est la même molécule partout.

Pure, elle forme de longues aiguilles blanches et soyeuses, fond vers 235 °C, se sublime dès 140 °C, et se dissout bien dans l'eau chaude, peu dans l'alcool, très peu dans l'éther. Ukers rapporte en 1922 que, d'après Gorter, la caféine du grain vert n'est pas libre mais liée à l'acide chlorogénique en un complexe soluble dans l'eau, d'où la difficulté à l'extraire par les solvants organiques tant que ce complexe n'a pas été dissocié : toute l'histoire de la décaféination tient dans ce détail chimique.

Ukers 1922, ch. XVIII (p. 174-188) ; document de formation professionnelle, Caféine et procédés de décaféination, p. 2 ; LC ch. 19

Ukers décrit aussi les premiers outils de mesure : le test de Viehoever, qui sublime la caféine directement hors du tissu végétal dans un petit appareil et identifie ses cristaux au microscope, et les dosages pondéraux par extraction au chloroforme qui alimentent ses tableaux II et III. Il signale qu'en 1922 des industriels récupèrent déjà la caféine dans les poussières des cheminées de torréfacteurs. Aujourd'hui la teneur se mesure par chromatographie liquide haute performance (CLHP ou HPLC) avec détection ultraviolette à 272-280 nm ; la norme ISO 20481 (2008) fixe la méthode pour le café vert, torréfié, soluble et décaféiné, avec extraction à l'eau chaude et étalon interne. C'est cette méthode que citent les fiches techniques des décaféineurs quand elles annoncent 99,9 % de caféine retirée.

Ukers 1922, ch. XVIII, tableaux II et III ; ISO 20481:2008, Café et produits à base de café, détermination de la teneur en caféine par CLHP