Siyah çay, kalp sağlığına faydalı olan flavonoid adı verilen bir antioksidan grubu içerir. Çayla beraber flavonoidler sebze, meyve, kırmızı şarap ve bitter çikolatada bulunabilir. Flavonoidleri düzenli olarak tüketmek, yüksek tansiyon, kolesterol ve trigliserit seviyeleri yada aşırı kiloluluk şeklinde kalp hastalığı için birçok risk faktörünün azaltılmasına faydalı olabilir. Randomize kontrollü bir çalışma, 12 hafta boyunca siyah çay içmenin, trigliserit değerlerini 6, kan şekeri seviyelerini oranında azalttığını ve LDL/HDL plazma oranını oranında düşürdüğünü bulmuştur. Bir başka çalışmada ise günde üç bardak siyah çay içenlerin kalp hastalığı geliştirme riskinde azalma olduğu bulunmuştur.
Siyah çayda bulunan polifenoller, iyi bakterilerin büyümesini teşvik ederken, Salmonella gibi kötü bakterilerin büyümesini engelleyerek, sağlıklı bir bağırsak dengesinin korunmasına destek olabilir. Ek olarak siyah çay, zararı olan maddeleri öldüren ve sindirim sisteminin iç yüzeyini onarmaya yardımcı olan bağırsak bakterilerini ve bağışıklığı arttıran antimikrobiyal özellikler içerir.
Siyah çay üstünde yapılan çalışmalardan çıkan diğer bir ilgi çekici sonuç ise inme riskini azalttığıdır. 10 yıldan uzun süre, 74.961 kişi izlenen bir çalışmada, günde dört yada daha fazla fincan siyah çay içenlerin, çay içmeyenlere göre %32 oranında daha düşük inme riskine sahip oldukları bulunmuştur.
Farklı çalışmaların değerlendirildiği bir araştırmada ise, günde üç fincandan fazla çay (siyah yada yeşil çay) içen bireylerin, günde bir fincandan daha az çay içenlere kıyasla %21 oranında azalmış inme riskine sahip olduğu bulunmuştur. Bu sonuçlar gözlemsel çalışmalardan geldiği için, doğrulanması için daha fazla çalışmaya gereksinim duyulmaktadır.
Laboratuvar ortamında yapılan bir çalışmada, çaydaki polifenollerin kanser hücreleri üstündeki etkileri analiz edilmiştir. Çalışma sonucunda çayın kanser hücresi büyümesini düzenlemede ve yeni hücre gelişimini azaltmada rol oynayabileceğini gösterilmiştir. Bir başka çalışmada ise siyah çaydaki polifenollerin meme kanseri üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Siyah çayın, hormona bağlı meme tümörlerinin yayılmasını engellemede yardımcı olabileceği gösterilmiştir.