柠檬的苦味主要来自果皮和籽，其中果皮的苦味通常更明显。柠檬苦味成分主要有柠檬苦素、柚皮苷等物质，果皮中的挥发油和籽中的生物碱也会影响口感。
柠檬果皮含有高浓度的柠檬苦素和柚皮苷，这两种物质在柑橘类水果中普遍存在，尤其在白色海绵层中含量较高。果皮表面油脂腺分泌的挥发油也会带来轻微苦涩感。新鲜柠檬皮经过适当处理可降低苦味，例如用盐搓洗或沸水焯烫能减少部分苦味成分。果皮苦味程度与品种相关，部分改良品种通过育种技术已显著降低苦味物质含量。
柠檬籽含有少量生物碱和柠檬苦素前体物质，直接咀嚼时会释放明显苦味。籽的苦味物质主要集中在种皮和胚乳部分，完整吞咽通常不会影响口感。榨汁时若过度破碎籽粒可能增加苦味，建议使用滤网过滤。籽的苦味强度与果实成熟度相关，未完全成熟的柠檬籽苦味物质含量更高。
日常食用柠檬时可通过削去白色海绵层减少果皮苦味，榨汁时注意分离籽粒。苦味成分虽影响口感，但部分研究显示柠檬苦素类物质具有抗氧化作用。对苦味敏感的人群可选择无籽柠檬品种，或搭配蜂蜜等调味品中和口感。柠檬皮经晒干处理后苦味会减弱，适合用于烘焙或泡茶。
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