Надземная часть полыни горькой в период цветения, листья — до цветения, содержат сесквитерпеновые лактоны, горькие гликозиды (абсинтин, анабсинтин, артабсин и другие), придающие растению своеобразный горький вкус, сапонины, флавоноиды, фитонциды, аскорбиновую кислоту, смолистые и дубильные вещества, калийные соли, артемизетин, эфирное масло (0,2—0,5 %), каротин, органические кислоты (яблочная, янтарная).