La vitamine D est nécessaire à la santé et à la robustesse du squelette humain.
Elle permet (avec la Vitamine K2) l'absorption de calcium par l'intestin, la réabsorption du calcium et du phosphore par les reins et la résorption osseuse par les ostéoclastes. Il existe un délai d'action entre le moment de l'administration de vitamine D et celui où l'absorption du calcium augmente sous son effet. L'action dépend de la vitamine D disponible et de la charge calcique de l'os. Elle fixe le calcium sur l'os à dose physiologique alors qu'elle le libère à trop forte dose (hypervitaminose), provoquant une hypercalcémie.
Au cours de la croissance, son site d'action privilégié est la zone métaphysaire, où le cartilage de conjugaison se transforme en tissu osseux.
Enfin, à dose physiologique, elle diminue la calciurie (excrétion urinaire du calcium).
En pratique, chez la personne âgée, la supplémentation en vitamine D diminue sensiblement le risque de fractures (surtout hanches et vertèbres).
Au niveau moléculaire, la vitamine D se fixe sur un récepteur nucléaire spécifique, le récepteur à la vitamine D, qui une fois activé se lie sur les séquences promotrices présentes sur l'ADN des gènes cibles, activant leur transcription, ce qui expliquerait les effets variés observés.
Les femmes qui ont le plus de vitamine D dans le corps auraient des télomères plus longs que celles qui manquent de cette vitamine ce qui pourrait avoir des effets bénéfiques sur le vieillissement.
Les autorités sanitaires américaines et françaises estiment qu’il suffit de 200 UI de vitamine D par jour pour être en bonne santé, un niveau jugé ridicule par les spécialistes internationaux .
Plusieurs arguments, indirects, font penser que la vitamine D participe à la prévention des cancers. D'une part, on observe nettement moins de cancers colo-rectaux dans les pays du Sud que du Nord (pour l'hémisphère Nord), et ce, sur tous les continents. D'autre part, l'administration de vitamine D3, ou de cholécalciférols modifiés, inhibe la cancérogenèse induite chez des rongeurs (plus de dix expériences rapportées ). Certaines études observationnelles semblent indiquer une baisse significative de certains cancers, dont ceux du sein (risque 50% plus faible avec un taux de 130 nmol/l (52 ng/ml), obtenu avec une supplémentation de 4000 UI par jour, qu'avec un taux inférieur à 32 nmol/l(13 ng/ml)). Le seul essai clinique de grande ampleur réalisé chez des volontaires (américaines) n'a pas montré de protection contre le cancer colorectal pour une supplémentation de 400 UI par jour. En revanche, elle a démontré une corrélation inverse significative entre le risque de cancer colorectal et le taux de 25-hydroxyvitamine D (le risque étant le plus faible avec un taux supérieur ou égal à 58 nmol/l (23 ng/ml)). D'autres études de moindre ampleur indiquent une réduction de près de 60% de la survenue de cancers tout-venant chez des femmes ménopausées.