维生素D可以作用在小肠，促进小肠黏膜对钙和磷的吸收。维生素D也可以作用在骨骼，使得骨钙动员入血，促进钙沉积在骨骼，维生素D也促进成骨细胞，增强骨的形成。维生素D对肾脏和甲状旁腺激素共同促进肾远曲小管，对钙和磷重吸收。维生素D具有调节免疫细胞的生长和分化的功能。维生素D缺乏与自身免疫性疾病，比如多发性硬化症、系统性红斑狼疮的风险增加有关。充足的维生素D对于促进胰岛素分泌，减轻胰岛素抵抗有一定作用。
维生素D缺乏与糖尿病的发生、发展存在相关性，维生素D对抑制肿瘤细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡有一定作用，充足的维生素D能降低直肠癌、乳腺癌、前列腺癌等肿瘤的风险。研究发现维生素D缺乏可使高血压、冠心病、心功能不全等心血管事件危险性增加，但是目前尚没有确切证据证实额外补充维生素D可以预防心血管事件。维生素D在调节神经系统和抗神经损伤方面有一定作用，与阿尔茨海默病、抑郁症等疾病有一定相关性。