脂溶性维生素A、D、E和K是疏水化合物，需要膳食脂肪和胆汁盐才能吸收。它们在乳糜微粒中运输，储存在肝脏和脂肪组织中，过量摄入可积累至毒性水平。
维生素A
维生素A指视黄醇、视黄醛和视黄酸。β-胡萝卜素（植物中发现的前维生素类胡萝卜素）被β-胡萝卜素双加氧酶切割产生视黄醛。视黄醇是运输形式，视黄醛对视觉至关重要，视黄酸通过核视黄酸受体和维甲酸X受体调节基因表达。
在视觉中，11-顺式视黄醛是视杆细胞中视紫红质的发色团。光吸收将11-顺式视黄醛异构化为全反式视黄醛，触发导致神经冲动的信号级联。视黄酸调节胚胎发育、免疫功能和细胞分化中的基因表达。维生素A存在于肝脏、乳制品和强化食品中，而类胡萝卜素在橙色和绿色蔬菜中丰富。
夜盲症是缺乏的最早症状，随后出现干眼症、比托氏斑和角膜溃疡。维生素A缺乏是儿童可预防性失明的主要原因。过量维生素A引起高维生素A血症，伴有头痛、肝损伤和致畸性。
维生素D
维生素D由皮肤中的7-脱氢胆固醇（胆固醇代谢的中间体）在紫外线B照射下产生，或从膳食来源获得。它在肝脏中转化为25-羟基维生素D，在肾脏中转化为活性形式1,25-二羟基维生素D。胆钙化醇是在皮肤中产生的形式，而麦角钙化醇来自植物来源。
活性维生素D结合维生素D受体（一种核受体），调节钙和磷酸盐稳态。它增加肠道对钙和磷酸盐的吸收，促进骨矿化，并调节甲状旁腺激素分泌。维生素D还具有免疫调节和抗增殖作用。
缺乏导致儿童佝偻病（特征为骨骼软化和变形）和成人骨软化症（伴有骨痛和无力）。维生素D不足普遍存在，并增加骨质疏松症风险。毒性引起高钙血症、肾钙质沉着和肾结石。
维生素E
维生素E包括八种生育酚和生育三烯酚，其中α-生育酚具有最高的生物活性。它是主要的脂溶性抗氧化剂，保护膜中的多不饱和脂肪酸免受脂质过氧化。维生素E向脂质过氧自由基提供氢原子，终止脂质过氧化的链式反应。
维生素E存在于植物油、坚果、种子和绿叶蔬菜中。缺乏罕见，但发生在脂肪吸收不良综合征和影响α-生育酚转移蛋白的遗传性疾病中。缺乏导致周围神经病变、肌无力和溶血性贫血。高剂量耐受良好但可能干扰维生素K代谢。
维生素K
维生素K是γ-谷氨酰羧化酶的辅因子，该酶将维生素K依赖性蛋白中的特定谷氨酸残基转化为γ-羧基谷氨酸。这种修饰对这些蛋白的钙结合至关重要。维生素K依赖性蛋白包括凝血因子II、VII、IX和X，以及抗凝蛋白C和S。骨基质蛋白骨钙素也需要γ-羧化。
来自绿叶蔬菜的叶绿醌和来自肠道细菌合成的甲基萘醌类提供维生素K。华法林和相关抗凝剂抑制维生素K环氧化物还原酶，阻断维生素K的回收并损害凝血因子合成。新生儿因无菌肠道和低储存量接受维生素K预防以预防出血性疾病。缺乏导致易瘀伤、出血和骨矿化受损。
