הכאנאביס הוא צמח מורכב ומפותח מאוד. קיימים בו יותר מאלף מרכיבים כימיים, מהם 457 שכבר אותרו וכ-80 שכבר זוהו, בודדו והוגדרו בסביבה מעבדתית. רבים מהם מצויים אמנם גם בצמחים אחרים, אך כשלוש מאות ועשרים מהם בלעדיים לצמח זה ומוגדרים לפיכך כנגזרים כאנאבינואידיים (או קנבינואידים), ובלטינית Cannabinoids. אלו מהם המכילים מולקולות ביואקטיביות נחשבים לבעלי תכונות תרפויטיות. המפורסם שבהם הוא ה- D-9-THC, או בשמו המלא - Delta Nine Tetrahydrocannabinol.
מרכיב זה מופיע במינון משתנה בעלים, בחפים ובתפרחות העליונות, ומצוי בכמויות מזעריות או אפסיות בסיבי הגבעולים ובזרעים של אחדים מהזנים. הריכוז הגבוה ביותר נמצא בעלעלי מעטפת הזרעים של הצמחים הנקביים. העלים והתפרחת של צמחי הבר מכילים בין שניים לשמונה אחוזי THC (לעומת 25% עד 35% בגידולי חממות הידרופוניים). חשיש מכיל ריכוז ממוצע של 12% עד 15%, ושמן חשיש, התמצית הגולמית הדביקה של החשיש ושל הנוזלים הפחמניים, עד 65% THC.
זמן קצר מאוד לאחר השימוש במריחואנה או בחשיש מתפרק ה- THC בכבד לחומר אחד בעל השפעות פסיכואקטיביות (Two Hydroxy THC) וליותר מעשרים חומרי משנה לא פעילים.
חומרי ה- THC (המטבוליטים), שאינם חומרים רעילים, נתפסים ברקמות השומניות של המוח האנושי, ברקמות מתחדשות ובאיברי גוף אחרים המכילים תאים שומניים, וחוסמים את מעבר הסידנים. לדעתם של ביוכימאים אחדים, תרכובותיהם מקשות בטווח הארוך את קיום הסינתזה הבין-תאית של מולקולות ביולוגיות מורכבות, לרבות חלבונים (פרוטאינים), DNA ו- RNA, והן עלולות לעכב את התחלקות התאים (תופעה שכיחה אצל צרכני אלכוהול וסמים מיישנים).
עשן הכאנאביס הוא תרכובת איירוסולית המורכבת מחלקיקים זעירים המצויים בתערובת של אדי מים וגזים, כגון חד-תחמוצת הפחמן. החלקיקים יוצרים את המשקע המוצק הידוע בשם זפת עִטרן (Tar). ריכוז העִטרן בעשן הכאנאביס גבוה בכמחצית מריכוזו בטבק סיגריות חזקות.
יותר מ- 150 פחמימנים מורכבים מהווים מרכיב מכריע בזפת סיגריות המריחואנה, וריכוזם גבוה ביותר משני שלישים מריכוזם בזפת סיגריות רגילות (אף שמתנגדי הכאנאביס עטים על נתון זה כמוצאי שלל רב, אין להסיק מכך שמעשני המריחואנה עלולים ללקות יותר ממעשני הטבק במחלות הסרטן, דרכי הנשימה והלב. תכולת העִטרן בצריכה מבוקרת של מריחואנה, ג'וינט אחד או שניים ביום, שווה לרמה הנשאפת מחמש עד שמונה סיגריות רגילות. לפיכך באופן תאורטי לצורכי המחשה, מי שמעשן יותר מחצי חפיסת סיגריות ביום מסתכן יותר ממי שצורך כמות מדודה של מריחואנה טהורה).
בעשן המריחואנה והחשיש קיימים כארבע מאות מִיקשרים. כשישים מהם נחשבים לבעלי ערך תרפויטי.
