Le vitamine possiedono diverse funzioni biochimiche. Alcune come la vitamina D, hanno funzioni simili agli ormoni come regolatori del metabolismo minerale o regolatori della crescita di tessuti e cellule e della differenziazione (come ad esempio alcune forme di vitamina A). Altre funzionano come antiossidanti (ad esempio, la vitamina E e talvolta la vitamina C). Il maggior gruppo di vitamine, le vitamine B, funzionano come precursori per cofattori enzimatici, aiutando gli enzimi nel loro lavoro come catalizzatori nel metabolismo. In questo ruolo, le vitamine possono essere strettamente legate agli enzimi come parte di gruppi prostetici: per esempio, la biotina fa parte degli enzimi coinvolti nella produzione di acidi grassi. Essi possono anche funzionare da coenzimi, molecole staccabili che funzionano per trasportare gruppi chimici o elettroni tra le molecole. Ad esempio, l'acido folico può portare gruppi funzionali come il metile (CH3-), il formile (CHO-) e il ponte metilene (-CH2-) nella cellula. Anche se questi ruoli di assistenza nelle reazioni enzima-substrato sono le funzioni più note delle vitamine, altri compiti sono ugualmente importanti.