Polüfenoolid on looduslikud ühendid, mis annavad ekstra neitsioliiviõlile selle iseloomuliku mõrkuse ja piprasekuse. Need on ka peamised tervisele kasulikud komponendid.
Oleuropeiin, hüdroksütürosool ja oleokantaal on olulisemad polüfenoolid oliiviõlis. Nende sisaldus sõltub kultivarist, koristusajast ja tootmismeetodist.
Varase koristuse õlid ja intensiivsed kultivarid (nagu Coratina ja Moraiolo) sisaldavad rohkem polüfenoole. EL lubab tervisealast väidet oliiviõlidele, mis sisaldavad vähemalt 250 mg/kg polüfenoole.