Der leicht süßlich schmeckende Milchzucker ist als weißes Pulver erhältlich, er kristallisiert in monoklinen Kristallen zu einem Monohydrat aus. Die wasserfreie Form zieht Feuchtigkeit aus der Luft an, sie ist hygroskopisch. Milchzucker ist relativ gut in Wasser, in Ethylalkohol dagegen nur wenig löslich. Die Wasserlöslichkeit ist aber deutlich schlechter im Vergleich zum Malzzucker. Das Kohlenhydrat gehört wie die Saccharose oder die Maltose zur Familie der Zweifachzucker (Disaccharide).

Oberhalb des Schmelzpunktes zersetzt sich der Milchzucker unter Braunfärbung. Lactose wirkt aufgrund der reaktionsfähigen OH-Gruppe am ersten C-Atom wie die Maltose reduzierend auf Fehlingsche Lösung und unterscheidet sich daher im Verhalten von der Saccharose. Im Lactose-Molekül ist ein Galactose-Molekül mit einem Glucose-Molekül über eine Sauerstoffbrücke miteinander verbunden. Es existieren wie bei der Maltose zwei Anomere. Diese unterscheiden sich in ihrem chemischen Verhalten. So ist α-Lactose nicht so gut wasserlöslich wie β-Lactose. Beim Erhitzen und besonders in Gegenwart von Alkalien wandelt sich die Lactose in Lactulose um. Ein Molekül dieses Zweifachzuckers ist aus einem Galactose- und einem Fructose-Molekül aufgebaut. Ultrahocherhitzte Milch kann bis zu 400 Milligramm pro Kilogramm Lactulose enthalten, in Rohmilch ist dieser Zucker nicht nachweisbar.  

  
Bei der Ernährung junger Säugetiere stellt die Muttermilch eine wichtige Nahrungsquelle dar. Die Spaltprodukte der Lactose liefern Energie. Die Lactose selbst fördert die Aufnahme des Spurenelements Calcium in die Knochen, und es fördert die Bakterienflora im Darm. Mit Hilfe des Enzyms Lactase wird der Zweifachzucker Lactose in die beiden Einfachzucker Galactose und Glucose aufgespalten. Beim erwachsenen Menschen wird dieses Enzym nur noch in geringeren Mengen gebildet. Die Völker Europas und Nordamerikas mit ihrer intensiven Milchwirtschaft haben sich angepasst, die meisten von ihnen vertragen auch im erwachsenen Alter Milch. In Asien dagegen können sehr viele Menschen Milch nicht richtig verdauen. Bei der weltweit stark verbreiteten Lactoseintoleranz fehlt das Enzym Lactase oder es wird nur in geringer Menge im Körper hergestellt. Der ungespaltene Milchzucker gelangt unverdaut in den Darm und wird dort vergoren. So entstehen Blähungen und Durchfall.