草木灰的主要成分是碳酸鉀（K₂CO₃），其相對分子質量為138。
草木灰是植物（如草本植物、樹木等）燃燒後的灰燼，因此它幾乎包含了植物所含有的所有礦質元素。在草木灰中，鉀元素的含量通常是最多的，占6%到12%，而且大部分（大約90%）是水溶性的，以碳酸鹽的形式存在。磷元素的含量一般在1.5%到3%之間。此外，草木灰中還含有鈣、鎂、矽、硫等微量元素，以及鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬等微量營養元素。
草木灰的肥效與其成分、燒制材料、燒制方法以及環境條件等因素有關。例如，在低溫燜燒的條件下，草木灰可能呈現灰黑色，其中的鉀主要以碳酸鉀形態存在，而磷則以磷酸二鈣形態存在，這樣的草木灰肥效較高。而在高溫燃燒的情況下，草木灰可能呈現灰白色，鉀與矽酸共熔形成難溶性的矽酸鉀復鹽，磷與鈣結合形成難溶性的磷酸三鈣，肥效較差。
草木灰因其鹼性特性，通常被用作有機肥料，尤其適合用於酸性土壤或粘土，能提高土溫、增強作物的抗寒力，並且具有殺菌和預防病蟲害的效果。在使用時，應注意不要與酸性肥料或農家肥混合使用，並且在噴灑植物葉片時需過濾，以防對植物造成污染。