Cà phê đắng chủ yếu vì hai nhóm chất: caffeine tự nhiên có sẵn trong hạt, và hàng trăm hợp chất mới sinh ra trong quá trình rang hạt ở nhiệt độ cao, gọi chung là các sản phẩm của phản ứng Maillard và quá trình caramen hoá. Về bản năng sinh học, vị đắng thường được não bộ hiểu là dấu hiệu cảnh báo chất độc, nên phần lớn động vật né tránh đồ đắng. Con người ban đầu cũng phản ứng tương tự với ngụm cà phê đầu tiên, nhưng rồi dần học cách chấp nhận và ưa thích nó.

Nguyên nhân cốt lõi khiến người ta ghiền cà phê nằm ở tác động của caffeine lên não bộ chứ không phải bản thân vị đắng. Caffeine chặn một chất truyền tin thần kinh tên adenosine, vốn có nhiệm vụ gây buồn ngủ, nhờ đó người uống cảm thấy tỉnh táo, tập trung hơn. Đồng thời caffeine cũng thúc đẩy não tiết thêm dopamine, chất tạo cảm giác hưng phấn dễ chịu. Vì cảm giác tỉnh táo và hưng phấn này luôn đến ngay sau ngụm cà phê đắng, não bộ dần học được mối liên kết rằng vị đắng ấy báo hiệu điều tốt sắp tới, nên theo thời gian người uống không chỉ chịu được vị đắng mà còn thấy nó hấp dẫn, thậm chí thòm thèm nếu thiếu.

Nhiều người mới tập uống cà phê đen thường phải cho thêm nhiều đường, sữa để giảm bớt vị đắng gắt, nhưng sau một thời gian uống đều đặn, họ dần giảm lượng đường sữa và có thể uống cà phê đen nguyên chất ngon lành mà không thấy khó chịu như trước. Đó là minh chứng rõ ràng cho việc não bộ đã học được cách liên kết vị đắng cà phê với cảm giác tỉnh táo dễ chịu quen thuộc mỗi buổi sáng, biến thói quen uống cà phê thành một phần khó bỏ trong ngày.

Nhiều người nghĩ mình thích uống cà phê đơn thuần vì thích vị đắng tự nhiên ngay từ đầu, nhưng thực ra hầu hết mọi người ban đầu đều thấy cà phê khó uống, chỉ dần yêu thích nhờ liên kết với cảm giác tỉnh táo mà caffeine mang lại. Cũng có người cho rằng cà phê càng đắng thì càng nhiều caffeine, nhưng độ đắng phần lớn đến từ mức độ rang hạt, cà phê rang đậm thường đắng hơn nhưng lượng caffeine đôi khi lại thấp hơn cà phê rang nhạt vì nhiệt cao kéo dài có thể làm phân huỷ bớt caffeine.