脂溶性维生素（维生素A、D、E、K）的维生素代谢依赖脂质吸收系统，其吸收与排泄具有显著的累积性特征。维生素A以视黄酯形式存在于食物中，经胰脂酶水解为视黄醇后，与胆汁酸形成混合微胶粒，通过小肠绒毛上皮细胞的主动转运进入胞内，再与视黄醇结合蛋白（RBP）结合，经淋巴系统入血，最终储存于肝脏星状细胞中，代谢产物通过胆汁排入肠道。维生素D3需经两次羟化活化：在肝脏经25-羟化酶转化为25-(OH)D3，再在肾脏由1α-羟化酶催化为活性形式1,25-(OH)₂D3，其代谢受甲状旁腺激素调控，降解产物经尿液排泄。维生素E（α-生育酚）通过被动扩散吸收，与乳糜微粒结合转运至肝脏，经α-生育酚转移蛋白选择性整合入极低密度脂蛋白（VLDL），氧化产物主要经胆汁排出。维生素K分为植物来源的K1和肠道菌群合成的K2，K1需经醌还原酶转化为氢醌型才具活性，参与凝血因子γ-羧化反应，代谢产物通过尿液和粪便双通道排泄。
水溶性维生素（B族维生素、维生素C）的维生素代谢具有即时性和快速周转特点，缺乏储存机制。B族维生素中，硫胺素（B1）在肠道磷酸化后以焦磷酸硫胺素（TPP）形式参与糖代谢，过量可经肾脏快速排泄，半衰期仅18天；核黄素（B2）经黄素激酶转化为FMN和FAD，作为黄素蛋白辅酶参与氧化还原反应，代谢产物随尿液排出时呈荧光特性。烟酸（B3）可由色氨酸合成，在体内转化为NAD+和NADP+，参与脱氢反应，过量摄入会经甲基化修饰后从尿液排泄。叶酸需经蝶酰谷氨酸羧肽酶水解为单谷氨酸形式才能吸收，在细胞内还原为四氢叶酸（THF），通过一碳单位转移参与核苷酸合成，未利用的叶酸以多谷氨酸形式储存于肝脏，代谢产物主要为蝶呤衍生物。维生素C（抗坏血酸）通过钠依赖转运体主动吸收，在细胞内以还原型（ASC）和氧化型（DHA）存在，参与胶原蛋白羟化及抗氧化反应，过量时以原形经肾脏排泄，其代谢不受反馈调节，每日需持续补充。
特殊维生素的代谢存在组织特异性调控机制，体现结构与功能的适应性关联。维生素B12（钴胺素）的吸收依赖胃壁细胞分泌的内因子，形成内因子-B12复合物后与回肠受体结合，入血后与转钴胺素Ⅱ结合转运至组织，在细胞内转化为甲钴胺和腺苷钴胺，分别参与同型半胱氨酸甲基化和甲基丙二酸代谢，肝脏储存量可维持3-5年。维生素D代谢具有内分泌调节特征，活性形式1,25-(OH)₂D3通过核受体调控肠道钙吸收基因表达，同时负反馈抑制肾脏羟化酶活性。维生素K2的代谢与肠道菌群密切相关，肠道合成的甲萘醌-7（MK-7）吸收后半衰期长达72小时，显著长于植物来源的维生素K1（半衰期1-2小时），这种代谢差异使其在骨骼健康中发挥更持久的作用。水溶性维生素中，生物素（B7）需经生物素酶裂解与蛋白质的结合才能吸收，作为羧化酶辅酶参与糖异生，其代谢受肠道菌群合成与肾脏排泄的动态平衡调控。