黑香米最显著的营养特征是其高含量的花青素。花青素是一种天然的抗氧化剂，赋予黑香米独特的紫黑色外观。根据河南农业大学2024年发表的研究，不同品种的黑香米花青素含量在84.39至109.29毫克/100克之间。这些花青素主要由矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和芍药素-3-O-葡萄糖苷组成。花青素能够有效清除体内自由基，帮助延缓衰老过程。华中农业大学研发的“华墨香”黑米品种，花青素含量更高，可达每公斤2217毫克。
黑香米的蛋白质含量明显高于普通大米。据广西农业大学中心实验室的分析报告，黑香米蛋白质含量达9.7%，18种氨基酸种类齐全，总量达8.7%。临沂黑香糯稻的蛋白质含量约为9.5%，香黑米的蛋白质含量可高达10.1%，比普通大米高5.6%。这些氨基酸中包含人体必需的多种氨基酸，使其成为一种优质植物蛋白来源。
黑香米富含多种对人体有益的矿物质元素。研究数据显示，黑香米中钙含量可达445PPM，铁含量为9.5PPM。临沂黑香糯稻同样检测出富含钙、磷、铁等元素。在河南农业大学新创制的黑香糯米品系中，钙和锌的含量更为突出——一个品系的钙含量高达1370.8毫克/公斤，锌含量为60.3毫克/公斤；铁含量范围在57.0至82.3毫克/公斤之间。丰富的铁元素使其对预防和改善缺铁性贫血有积极作用。
黑香米的淀粉组成与普通大米有明显差异。研究发现，黑香米的淀粉含量在36.5%至50.2%之间，低于普通大米品种。更重要的是，部分黑香米品种的支链淀粉占比高达100%，这种结构使得黑香米的消化吸收速度相对较慢。“华墨香”黑米的碳水化合物含量比普通白米低17%，含糖比例下降38.9%，对需要控制血糖的人群较为友好。
传统中医认为，黑香米具有滋阴补肾、健脾暖肝、明目活血的功效。现代临床实践表明，黑香米对改善贫血、神经衰弱、产后体弱等有一定辅助作用。此外，黑香米还含有普通大米所缺乏的维生素C、叶绿素等成分。研究还发现黑香米具有抗氧化、抗疲劳的作用，长期食用有助于防治头昏目眩、腰膝酸软等症状。