A cafeína é a 1,3,7-trimetilxantina, fórmula C₈H₁₀N₄O₂, um alcaloide do grupo das purinas, parente da teobromina do cacau (dimetilxantina) e da teofilina do chá. Foi isolada do café em 1819-1820 pelo químico alemão Friedlieb Ferdinand Runge; os documentos de formação adotam 1820, ano da publicação. No decorrer do século XIX, ela é encontrada no chá (onde primeiro foi batizada de teína), no guaraná, na noz-de-cola e no mate: é a mesma molécula em toda parte.

Pura, forma longas agulhas brancas e sedosas, funde por volta de 235 °C, sublima a partir de 140 °C e se dissolve bem em água quente, pouco em álcool, muito pouco em éter. Ukers relata em 1922 que, segundo Gorter, a cafeína do café verde não é livre, mas ligada ao ácido clorogênico em um complexo solúvel em água, daí a dificuldade de extraí-la com solventes orgânicos enquanto esse complexo não foi dissociado: toda a história da descafeinação está nesse detalhe químico.

Ukers 1922, cap. XVIII (p. 174-188); documento de formação profissional, Caféine et procédés de décaféination, p. 2; LC cap. 19

Ukers descreve também os primeiros instrumentos de medição: o teste de Viehoever, que sublima a cafeína diretamente do tecido vegetal em um pequeno aparelho e identifica seus cristais ao microscópio, e as dosagens ponderais por extração com clorofórmio que alimentam suas tabelas II e III. Ele assinala que, em 1922, industriais já recuperavam a cafeína nas poeiras das chaminés de torradores. Hoje o teor é medido por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE ou HPLC) com detecção ultravioleta a 272-280 nm; a norma ISO 20481 (2008) fixa o método para o café verde, torrado, solúvel e descafeinado, com extração em água quente e padrão interno. É esse método que as fichas técnicas das empresas de descafeinação citam quando anunciam 99,9 % de cafeína retirada.

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