Die intensive Farbe des Safrans ist durch Carotinoide bedingt. Safran enthält zwar auch wenig charakteristische konventionelle Carotin-Farbstoffen (α- und β-Carotin, Lycopin und Zeaxanthin), aber für die Färbekraft spielen vor allem Ester des Crocetins eine Rolle; Crocetin ist eine Dicarbonsäure mit einem carotin-artigen C18-Gerüst, die zusammen mit ähnlichen Verbindungen als Abbauprodukt von Carotinoiden entsteht („Diterpen-Carotinoid“). Crocin, der Ester von Crocetin mit Gentobiose, ist der bedeutendste einzelne Safranfarbstoff.
Im ätherischen Öl wurden zahlreiche Terpenaldehyde und Terpenketone gefunden. Mengenmäßig dominiert dabei das Safranal, 2,4,4-Trimethyl 1,3-cyclohexadien-1-carbaldehyd (50% und mehr), aber auch weitere ähnliche Verbindungen (z.B. 2-Hydroxy-4,4,6-trimethyl 2,5-cyclohexadien-1-on) wurden als für Safranduft charakterbestimmend identifiziert. Weiters wurden auch Terpene (Pinene, Cineol) nachgewiesen.
Der bittere Geschmack von Safran wird auf Picrocrocin, das Glucosid eines safranalähnlichen Alkohols (4-Hydroxy-2,4,4-trimethyl 1,3-cyclohexadien-1-carbaldehyd), zurückgeführt. Bei der Glycosidspaltung von Picrocrocin entsteht letztlich Safranal. Safranal und seine Verwandten, überwiegend C9- oder C10-Isoprenoide mit Cyclohexanring, entstehen im Safran als Abbauprodukte der Carotinoid-Farbstoffe.
In der Norm ISO/TS 3632-1 sind die Qualitätskriterien für Safranpulver und Safranfäden international definiert. Die Norm ISO/TS 3632-2 regelt die physikalischen und chemischen Methoden mit denen die Qualitätskriterien gemessen werden sollen.