A cafeína possui três grupos metila ligados aos átomos de nitrogênio nas posições 1, 4 e 8; a teobromina possui dois grupos metila nas posições 4 e 8; enquanto a teofilina possui dois grupos metila nas posições 1 e 8.

São alcaloides da classe das xantinas constituídos por um sistema bicíclico fundido, estruturalmente relacionado a anéis do tipo pirimidínico e imidazólico.

Essas metilxantinas apresentam dois anéis heterocíclicos fundidos de forma estruturalmente relacionada ao núcleo purínico.

São alcaloides da classe das xantinas que apresentam um sistema heterocíclico fundido, conjugado e plano, cujo conjunto eletrônico satisfaz a regra de Hückel, caracterizando aromaticidade.

Essas pequenas variações estruturais são suficientes para resultar em diferenças, por exemplo, na solubilidade e na temperatura de fusão.