Плоды содержат 3—7 % эфирного масла, 12—22 жирного масла, а также флавоноиды кверцетин и кемпферол, кумарины, умбеллиферон, скополетин и др. Кроме того, в них обнаружены белковые (10—23 %) и дубильные вещества. Состав эфирного масла и его содержание в значительной мере изменяются в зависимости от стадии вегетации. Основной составной частью эфирного масла является карвон — 50—60 %. Кроме того, в масле содержится D-лимонен (до 30 %), причем в эфирном масле из незрелых плодов значительно больше лимонена, чем в масле из зрелых плодов. В эфирном масле присутствует карвакрол, который обусловливает специфический запах тмина, а также линалоол, цимол, пинен и другие спирты и их эфиры. В траве также обнаружены флавоноиды кверцетин, кемпферол и изорамнетин. В корнях содержатся аскорбиновая кислота (0,09—0,35 %) и углеводы.
Эфирное масло тмина широко применяют при получении и ароматизации лекарственных препаратов, парфюмерии и мыловарении. Эфирное масло тмина используют как антисептик и противоглистное средство.
Плоды тмина применяют в официальной медицине Болгарии, Румынии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Финляндии, Норвегии, США. Тмин усиливает отделение желчи и деятельность пищеварительных желёз, депрессирует процессы гниения и брожения в кишечнике, снимает спазмы гладкой мускулатуры кишечника и тем самым способствует нормализации процесса пищеварения. Тмин рекомендуют при атонии, как мягкое слабительное средство, при метеоризме. Плоды входят в состав желчегонных сборов и используют при желчно- и мочекаменной болезнях, заболеваниях мочевыводящих путей. В комбинации с другими растительными средствами их применяют при гепатитах, как седативное средство, для лечения сердечнососудистых заболеваний и усиления лактации у кормящих женщин.
Тмин популярен в народной медицине различных стран. Плоды издавна использовали в различных лекарственных сборах (чаях): аппетитном, слабительном, ветрогонном, успокаивающем, желудочном (вяжущем); их давали кормящим матерям для усиления лактации. Настой плодов применяли при расстройствах кишечника, болезнях жёлчного пузыря, бронхите и воспалении лёгких, при спазмах пищеварительных органов, при головной боли.
Цветки ромашки аптечной (1 столовая ложка), листья мяты перечной (1 столовая ложка), плоды фенхеля (1 столовая ложка), корень валерианы (1 столовая ложка), плоды тмина (1 столовая ложка) на 0,5 л воды. Отвар принимать 1 раз вечером по одному стакану.