維生素D是一種激素前體，通過日照人體可以在皮膚內自行合成，因此被稱為「陽光維生素」。也正因為此，它是「維生素」大家族裡的異類（真正的維生素指的是哪些不能被身體合成必須從飲食或補充劑中獲得的營養素）。皮膚合成維生素D的能力不容小覷，如果將全身皮膚直接暴露於日光下每周2-3次，每次5-10分鐘便可使身體合成足夠多的維生素D。這些初次合成的維生素D是骨化醇（維生素D3），前身是皮膚中的膽固醇。剛剛製造出來的維生素D3還需要經過兩次「變身」才能真正發揮作用。第一次是在肝臟，骨化醇轉化為骨化二醇；第二次是在腎臟，轉化為活性維生素D，稱為骨化三醇（1，25羥維生素D）。
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維生素D最為人所熟知的作用，是調節鈣磷代謝，維護骨骼和牙齒的健康。食物中的鈣，需要維生素D的幫助在能在腸道吸收，而從腎臟排出的鈣，也會在維生素D的幫助下被重新吸收。維生素D維持人體正常的鈣磷平衡，對保持骨骼健康極為重要。缺鈣會導致幼小的孩子患上佝僂病，成年人患上骨軟化症，絕經後女性和老年男性鈣缺乏則會患上更常見的骨質疏鬆症。骨質疏鬆容易導致脆性骨折，髖部骨折人群中80%存在維生素D不足；相反，每天攝入800單位維生素D可以減少老年人20%以上骨折風險，並降低跌倒的風險。
但其實維生素D的作用還遠不止於此。多項研究表明，維生素D還在人對抗其他多種疾病中發揮重要作用。一項研究稱，在冬季給兒童連續4個月每天1200單位維生素D可以降低40%患甲型流感的風險。還有一些學者觀察到血液中維生素D的含量與2型糖尿病負相關。2型糖尿病患者體內的維生素D水平不足，可能對胰島素分泌和糖耐量造成反作用。嬰兒每天攝入維生素D2000單位，到32歲之前，患1型糖尿病的風險會降低88%。孕婦如果維生素D水平低，先兆子癇、妊娠期糖尿病及細菌性陰道炎的危險都會增加，生出的寶寶也更容易對食物過敏。低維生素D狀態也與包括哮喘、過敏性皮炎及溼疹在內的過敏性疾病發生及嚴重程度有關。不僅如此，維生素D還能增強糖皮質激素的抗炎效果，成為激素抵抗型哮喘治療的支持治療措施。更神奇的是維生素D對人體內200多個基因有影響，參與某些癌症相關基因的調控，活性維生素D具有減少癌症進展的作用。
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隨著研究的拓展和深入，越來越多的疾病被發現與維生素D有關，包括心血管疾病、高血壓病、多發性硬化、孤獨症（自閉症）、阿爾茲海默病（老年痴呆）、類風溼性關節炎及豬流感等。這些作用尚待進一步有信服力的研究證明。
維生素D的作用如此重要，但最近的研究卻發現，全世界多達50%的成人和兒童存在維生素D不足的問題。維生素D儘管很容易合成，淺膚色的人全身暴露於日光下20分鐘，即可合成20000單位的維生素D3，但因其半衰期僅有2周，光照不足時就很容易缺乏。因此老年人、嬰兒、深色人種以及生活在高緯度或汙染較重地區的人，夜間工作以及常年光照不足的人特別容易缺少維生素D。完全母乳餵養的嬰兒也具有較高的維生素D缺乏的風險。即便在大太陽底下，如果抹了防曬霜，也會阻絕合成維生素D所必須的紫外線B（UVB）的吸收，SPF30以上的防曬霜減少身體95%合成能力。之前還提到過，維生素D的合成原料是膽固醇，還要經過肝臟和腎臟的代謝才能發揮作用，因此它的合成受到肝腎功能及一些藥物的影響，包括巴比妥，苯巴比妥、苯妥英鈉、異煙肼和他汀類藥物。
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根據2010年美國醫學研究院（IOM）的建議，人的一生中不同年齡段都需要攝入足夠的維生素D，具體的推薦攝入量為：
嬰兒（0-12個月） 400單位
兒童（1-18歲） 600單位
成人（70歲前） 70-600單位
70歲以上成人 800單位
孕婦或哺乳期婦女 600單位
維生素D有兩種計量單位，除了上面列出的「單位（IU）」，還可以用「毫克」計算。換算方法很簡單，1毫克維生素D相當於40單位（IU）。
好在除了自身合成外，我們還可以從食物中獲取維生素D。維生素D含量最豐富的食物是魚肝油和多脂魚類，比如1勺鱈魚肝油中維生素D的含量高達1,360 IU，100克野生三文魚中含量也接近1000單位。此外，菇類，強化牛奶，蛋黃等也是維生素D的良好來源。除了食物，維生素D補劑也很容易購買到，當然，不論什麼維生素或礦物質，最好首先從自然來源獲得，補劑僅僅作為後備選擇。食物中，各種營養素相互協同，能更好地吸收。就維生素D來說，這種脂溶性營養素就需要膳食脂肪協助吸收，而鎂則是其轉化為活性形式所必需的礦物質。
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維生素D也並非越多越好，過量攝入也存在健康威脅。過度使用維生素D會導致骨骼過度鈣化，腎臟、肺、心臟和血管硬化。維生素D過多最常見的表現是頭痛噁心，也可導致食慾下降、口乾、金屬味、嘔吐、便秘及腹瀉。IOM的推薦維生素D的上限為每天4000單位；美國國家健康研究院（NIH）則表示，每天攝入維生素D不超過10000單位，不會產生毒性。
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