Vitamin D là một nhóm các secosteroid tan được trong chất béo, có chức năng làm tăng cường khả năng hấp thu calci và phosphat ở đường ruột. Ở người, các hợp chất quan trọng nhất trong nhóm này là vitamin D3 (còn được gọi là cholecalciferol) và vitamin D2 (ergocalciferol). Cholecalciferol và ergocalciferol có thể đưa vào cơ thể qua việc ăn uống và các biện pháp bổ sung. Cơ thể cũng có thể tổng hợp vitamin D (đặc biệt là cholecalciferol) ở da, từ cholesterol, khi da được tiếp xúc đủ với ánh nắng mặt trời (vì thế nó còn được mệnh danh là "vitamin ánh nắng"). Mặc dù vitamin D thường được gọi là một vitamin, nhưng trong một ngữ nghĩa hẹp thì nó không phải là một vitamin thiết yếu trong chế độ ăn, bởi vì hầu hết động vật có vú đều có thể tự tổng hợp nó đủ cho cơ thể khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Một chất chỉ được phân loại là vitamin thiết yếu khi nó không thể được cơ thể tổng hợp đủ, mà phải nạp vào thông qua việc ăn uống. Tuy nhiên, cũng như các vitamin khác, người ta đã phát hiện ra sự thiếu hụt vitamin D trong khẩu phần ăn có thể gây ra bệnh, cụ thể là bệnh còi xương (một chứng loãng xương ở trẻ em). Vì thế, ở các nước phát triển, người ta thêm vitamin D vào khẩu phần ăn thiết yếu, chẳng hạn như sữa, để tránh các bệnh do thiếu hụt. Việc tổng hợp vitamin D khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, cùng với việc hấp thụ từ chế độ ăn uống đều giúp duy trì nồng độ thích hợp của vitamin này trong huyết thanh. Bằng chứng cho thấy sự tổng hợp từ ánh nắng mặt trời được điều chỉnh bởi một vòng hồi tiếp ngược (là vòng tự điều chỉnh lượng vitamin D cần tổng hợp tùy theo nhu cầu cần thiết của cơ thể), do đó có thể ngăn chặn ngộ độc, tuy nhiên, do không chắc chắn về nguy cơ gây ung thư từ ánh sáng mặt trời, cho nên viện Y học Hoa Kỳ (IOM) không đưa ra lời khuyên về lượng phơi nắng cần thiết để đáp ứng nhu cầu vitamin D cho cơ thể. Vì vậy, khi đưa ra Chế độ ăn tham khảo (Dietary Reference Intake; DRI) thì người ta giả định rằng toàn bộ lượng vitamin D cần thiết là thông qua thực phẩm chứ không phải từ cơ thể tổng hợp thành, mặc dù điều này hiếm khi xảy ra. Ngoài việc sử dụng nó để ngăn ngừa loãng xương hoặc còi xương, thì không có bằng chứng gì về những ảnh hưởng tích cực khác đối với sức khỏe của việc bổ sung vitamin D một cách đại trà. Bằng chứng về lợi ích tốt nhất là cho sức khỏe của xương và làm giảm tỷ lệ tử vong ở phụ nữ cao tuổi. Tại gan, cholecalciferol (vitamin D3) được chuyển hóa thành calcidiol, còn được gọi là calcifediol (INN), 25-hydroxycholecalciferol, hoặc 25-hydroxyvitamin D3 — viết tắt là 25(OH)D3. Ergocalciferol (vitamin D2) được chuyển hóa thành 25-hydroxyergocalciferol, còn được gọi là 25-hydroxyvitamin D2 — viết tắt là 25(OH)D2. Đây là hai chất chuyển hóa đặc trưng của vitamin D được đo nồng độ trong huyết thanh để xác định tình trạng vitamin D của một người. Một phần của calcidiol được chuyển hóa qua thận thành calcitriol, một chất hoạt hóa sinh học của vitamin D. Calcitriol tuần hoàn như một hormone trong máu, để điều chỉnh nồng độ calci và phosphate trong máu và thúc đẩy sự phát triển khỏe mạnh và tái tạo của xương. Calcitriol cũng ảnh hưởng đến chức năng thần kinh-cơ và hệ miễn dịch.