Organizm ludzki jest zazwyczaj zależny od glukozy, cukru, jako energii; ale może również wykorzystywać przechowywane kwasy tłuszczowe jako alternatywę. Utlenianie kwasów tłuszczowych jest generalnie niezbędne, aby mogły być źródłem energii; substancje z wątroby i trzustki umożliwiają przechodzenie tłuszczów lub lipidów ze ścian jelit do krwiobiegu. Kiedy kwasy tłuszczowe ulegają utlenieniu, zmiany zwykle zachodzą na poziomie atomowym, inicjowane przez różne enzymy. Związki muszą być również aktywowane w cytoplazmie komórki; utlenianie może wtedy zachodzić w strukturach komórkowych zwanych mitochondriami.
Kiedy jest to konieczne, utlenianie kwasów tłuszczowych zwykle rozpoczyna się, gdy enzym reaguje z cząsteczkami. Enzym zwany karnityną może sprawić, że związki tłuszczowe przedostaną się przez błonę mitochondriów, gdzie zachodzi utlenianie. Przemieszczanie się substancji do i z mitochondriów jest zazwyczaj wspierane przez cykl transportu karnityny. Zazwyczaj wytwarza się więcej energii na atom niż w przypadku wykorzystania węglowodanów na energię. Tłuszcze nasycone i nienasycone kwasy tłuszczowe są zwykle utleniane w ten sam sposób, ale obecność podwójnego wiązania atomowego zazwyczaj wymaga dodatkowego enzymu podczas utleniania kwasów tłuszczowych.
Enzymy odpowiedzialne za utlenianie kwasów tłuszczowych mogą być aktywowane przez hormony. Komórki zazwyczaj uwalniają kropelki tłuszczu do krwi; Zmagazynowane w tłuszczu substancje są wcześniej rozkładane przez enzymy. Brak odpowiedniego spożycia pokarmu i długie ćwiczenia mogą spowodować, że organizm zacznie te reakcje. Ogólnie rzecz biorąc, produkty reakcji enzymatycznych kwasów tłuszczowych są przenoszone do mitochondriów, jeśli ładunek energetyczny komórki jest niski, podczas gdy stan o wysokiej energii hamuje transport do struktur. Cząsteczki tłuszczu są często wykorzystywane do tworzenia innych substancji i lipidów dla błon komórkowych.
Oprócz energii podczas utleniania kwasów tłuszczowych wytwarzana jest również woda. Reakcja rozkładająca tlen i reakcja chemiczna z trifosforanem adenozyny (ATP) mogą powodować tworzenie się wody. Dodatkowy składnik tej reakcji często przynosi korzyści zwierzętom żyjącym w suchym klimacie lub hibernującym.
Utlenianie kwasów tłuszczowych czasami zachodzi z dużą szybkością; wątroba może wtedy reagować, wytwarzając cząsteczki energii zwane ciałami ketonowymi. Brak równowagi, taki jak ten, który występuje przy cukrzycy, może prowadzić do kwasicy ketonowej, w której komórki nie mogą utleniać dużych ilości cząsteczek energii wątroby, a krew staje się zbyt kwaśna. Normalne utlenianie kwasów tłuszczowych z ryb, soi i nasion normalnie uzupełnia substancje, których organizm sam nie wytwarza.