維生素D是壹種可以在體內合成並長期儲存的物質。被吸收的維生素D是無活性的，儲存在血漿、肝臟、脂肪和肌肉中，通過血液轉移到肝臟並轉化為乙二醇鈣，然後在腎臟中進壹步羥基化為三醇鈣。維生素D(D2或D3)本身沒有生物活性，只有轉化為維生素D的代謝產物乙二醇鈣和三醇鈣才能發揮激素作用，特別是骨化三醇比二醇鈣具有更高的激素樣活性，對鈣磷代謝的作用比二醇鈣高200倍左右，對骨鹽形成的作用高100倍。二醇鈣循環至腎近曲小管時，只有在血漿中低鈣、低磷或高甲狀旁腺激素的情況下，才會被1α-羥化酶轉化為高活性的骨化三醇。當腎實質病變時，腎臟缺乏1α-羥化酶。因此，當高血壓晚期出現腎功能衰竭，或慢性腎功能受損時，活性維生素D3的生成減少，臨床上出現明顯的鈣代謝紊亂。
人體每日生理合成骨化三醇約0.5微克？1.0微克。其主要功能是提高血漿鈣磷水平，促進骨骼鈣化。這種作用主要是通過促進腸道鈣吸收來實現的。實驗證明腸壁細胞中存在鈣三醇的細胞質受體。這些受體的功能是將激素輸送到細胞核，然後與染色質結合，影響基因轉錄，合成壹種叫做鈣結合蛋白(CaBP)的蛋白質。CaBP能促進腸細胞中鈣的轉運，使腸鈣被吸收到血液中。這是壹個不依賴於腸腔內鈣濃度的主動轉運過程。維生素D使腸上皮細胞內線粒體濃縮鈣，導致胞漿鈣濃度降低，間接促進腸黏膜對鈣的吸收。維生素D還能改變黏膜的通透性，加速鈣的吸收。活性維生素d能促進人體小腸上皮對鈣磷的吸收，加速人體血液中鈣磷的吸收；還能促進骨骼中破骨細胞的活性，促進骨吸收，溶解老骨中的骨鹽，增加骨鈣的釋放；還能直接刺激骨骼中的成骨細胞，促進鈣鹽沈積。
腎臟中的維生素D可促進腎小管對鈣、磷的重吸收，降低尿鈣、磷，增加血鈣、磷。維生素D對腎臟鈣磷重吸收的影響不是直接作用，而是抑制甲狀旁腺激素增加腎小管磷重吸收的間接作用。骨化三醇和甲狀旁腺激素的協同作用促進腎小管對鈣的重吸收。當血清鈣減少時，活性維生素D的形成因低鈣的刺激而加速。當血清鈣增加時，活性維生素D的形成因高鈣的刺激而減慢。肝腎功能障礙會影響維生素D的活化，這也是肝腎性佝僂病的原因。
維生素D對骨中無機鹽代謝的影響是雙向的，既能促進新骨的鈣化，又能促進骨中鈣的釋放，使骨鹽不斷更新，維持鈣的平衡。維生素D協同甲狀旁腺激素促進破骨細胞溶骨，促進腸道鈣吸收，增加血鈣。也認為維生素D首先作用於成骨細胞，引起骨吸收濃度梯度，從而促進破骨細胞的形成和骨溶解。維生素D對骨形成和骨礦化的促進作用已經得到大多數學者的認可。骨化三醇能直接刺激成骨細胞，促進血液和骨骼中的檸檬酸和鈣形成復合物，並將其轉運到新骨中，有利於鈣沈積。維生素D還作用於成骨細胞，影響遺傳信息的轉錄過程，促進蛋白質合成和細胞分化，加速成骨。
最新研究還證實，在甲狀旁腺、胰腺、垂體、胎盤以及全身許多器官組織中都存在骨化三醇受體，骨化三醇還可以直接作用於這些器官，發揮更廣泛的生理功能，即不僅調節鈣代謝，還可以維持正常的腦功能，提高肌肉力量，調節膠原蛋白生成，促進軟骨蛋白聚糖的合成，調節內分泌系統和免疫系統。需要明確的是，鈣是骨礦化的主要原料，只有攝入足夠的鈣，才能有效發揮維生素D3的催化作用，增強骨的正常鈣化。所以防治佝僂病、軟骨病首先要補鈣。