ヒトを含む多くの生体内ではエネルギー源として好気的に代謝される（β酸化）。脂肪酸は体内においてはほとんどが筋肉細胞に存在している。筋肉細胞内において、脂肪酸はカルニチンによってミトコンドリア内部に輸送される。ミトコンドリア内膜はアシルCoAを直接透過しないため、カルニチンが脂肪酸アシル運搬体の役割を果たす（動植物共通）。脂肪酸アシルCoAはカルニチンと一時的に結合し、脂肪酸アシルカルニチンを生成する。この反応はミトコンドリア外膜に埋め込まれたカルニチンアシルトランスフェラーゼIにより触媒される。その後、脂肪酸はミトコンドリア内でβ酸化を受け酢酸にまで分解され、生成したアセチルCoAはクエン酸回路を通じてエネルギーに転換される。
マウスを対象とした動物実験において、ある種の脂肪酸には腫瘍細胞の脂肪代謝を阻害することにより抗がん効果がある事例が複数報告されている。 奇数炭素脂肪酸は、偶数炭素脂肪酸と比較して酸化効率が低いため、白血病患者の骨髄に含まれるがん細胞のエネルギー源である脂肪酸の代謝を阻害する効果がある事が判明しており、がん阻害剤としての効果が期待される。
脂肪酸はグリセリンとのエステル体（トリグリセリド）の形で摂取されることが多い。例えば医学用語で「脂肪」や「中性脂肪」と言えば、通常「脂肪酸トリグリセリド」のことを指す。長鎖脂肪酸グリセリド（LCT）と中鎖脂肪酸トリグリセリド（MCT)とでは、摂取後全く異なる吸収形態を取る。LCT及びMCTも小腸において、エステラーゼで加水分解され、脂肪酸とグリセリンになるまでは共通である。しかしLCTは小腸上皮から摂取後、リンパ管に入って全身循環し、胸管を通じて徐々に血液に入る。これに対してMCTは直接血液循環に入る。従ってMCTはすみやかに代謝されるのに対して、LCTの代謝はMCTより遅い（少なくとも数時間）。俗説ではMCTはすみやかにケトン体に変わりケトン体濃度の増加（生理的ケトーシス）を誘導するが、LCTは中性脂肪になり体内に蓄積するという。MCTはケトン体に変わりやすいのは確かだが、インスリンがMCTがケトン体に変わることを阻害しているため、糖質を摂取する通常の食事ではMCTはケトン体を増加させることはない。すなわちMCTは糖質制限食またはケトン食とともに食べないと、MCTはケトン体を増加させることはない。最近ではケトン食にMCTが取り入れられている。
飽和脂肪酸を取り過ぎると、カロリー不足でない限り血清総コレステロール濃度を上昇させ、虚血性心疾患を起こしやすくすると言われている。飽和脂肪酸は、WHO/FAOが肥満問題に対する戦略のひとつとして摂取制限を挙げている。
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