שמן זית מתהדר בריכוז גבוה של תרכובות נוגדות חמצון, ביניהן פנולים ואוליאורופאין, בנוסף לויטמינים E ו-K. תרכובות אלו מגנות על התאים מפני נזקים, מפחיתות את הסיכון להזדקנות מוקדמת ומחזקות את עמידות הגוף למחלות. העדויות המדעיות מצביעות על כך שתרכובות אלו מסייעות גם בהגנה על הכולסטרול "הטוב" מפני חמצון, שלב מרכזי במניעת טרשת עורקים.
שמן זית מכיל את התרכובת אוליאוקנטל שמחקרים הראו שהיא פועלת באופן דומה לתרופת האיבופרופן בהפחתת דלקות. כמו כן, חומצה אולאית מסייעת בהורדת רמות החלבון CRP הקשור לדלקות בגוף. דלקת כרונית היא אחד הגורמים הבולטים למחלות מסוכנות כמו סרטן, סכרת ושיגרון.
סקירות מדעיות שכללו מאות אלפי משתתפים הראו ששמן זית הוא מקור השומן היחיד הקשור לירידה ברורה בסיכון לשבץ. היתרון נובע מהתפקיד של שמן הזית בהגנה על כלי הדם, בשיפור זרימת הדם ובהפחתת הסיכון להיקרשות. חשוב לציין ששבץ מוחי הוא הגורם השני למוות בעולם.
מחקרים מראים שצריכה סדירה שלו מעלה את רמות הכולסטרול הטוב HDL, מפחיתה לחץ דם, מקטינה דלקות בכלי הדם ומשפרת את גמישות העורקים. יתרונות אלו ביחד מובילים להפחתת הסיכון להתקפי לב ושבץ.
למרות שהשומנים הם מקור צפוף לקלוריות, תזונות עשירות בשמן זית, כמו התזונה הים-תיכונית, קשורות למשקל בריא ולירידה בסיכון להשמנה. סקירה נרחבת משנת 2018 הראתה שתזונות עם תכולה גבוהה של שמן זית עזרו למשתתפים לרדת במשקל יותר מתזונות דלות שומן.
מחקרים הראו שהתרכובות נוגדות החמצון בשמן זית מפחיתות את הצטברות הפלאקים ומקטינות דלקות עצביות, מה שעשוי להאט את הירידה הקוגניטיבית. מחקר עדכני משנת 2024 הצביע על כך שאנשים שצורכים שמן זית באופן קבוע היו פחות חשופים לסיכון לפתח דמנציה בשיעור משמעותי. מחלת אלצהיימר קשורה להצטברות פלאקים של "בטא עמילואיד" במוח.
מחקרים מראים ששמן זית מסייע לשיפור רגישות לאינסולין והסדרת רמות הסוכר. ניסוי קליני אחד הוכיח שאנשים עם פרה-סכרת שצרכו שמן זית מועשר בחומצה אולאנולית, היו בסיכון נמוך ב-55% לפתח את המחלה.
שמן זית קשור לירידה בסיכון לסוגים מסוימים של סרטן הודות ליכולתו להילחם ברדיקלים חופשיים. מחקר נרחב משנת 2022 הצביע על כך שאנשים שצרכו שמן זית יותר היו פחות חשופים לסיכון לסרטן ב-31%. מדענים משערים שהתרכובות נוגדות החמצון שלו הן הגורם המרכזי לתוצאות אלו.
שמן זית תורם להפחתת סמני הדלקת אצל חולי שיגרון, במיוחד בשילוב עם התזונה הים-תיכונית. מחקרים מצביעים על כך שהוא משפר את התנועתיות ומקל על עוצמת הכאב באמצעות הפחתת הדלקת במפרקים.
חלק מהתרכובות בשמן זית פועלות נגד חיידקים מזיקים, ובראשם החיידק H. pylori הגורם לכיב קיבה. למרות שהראיות עדיין נחקרות, התוצאות הראשוניות מצביעות על השפעה חזקה של שמן זית בעיכוב צמיחת החיידק הזה.