脂肪氧化分为脂肪酸活化、β-氧化、三羧酸循环三个阶段，是机体分解脂肪供能的核心代谢路径。
脂肪酸活化是脂肪氧化的起始步骤，在细胞质中完成。长链脂肪酸在辅酶A和ATP参与下，由酰基辅酶A合成酶催化生成脂肪酰辅酶A。这一过程消耗两个高能磷酸键，使脂肪酸获得进入线粒体的活性形式。中链脂肪酸可直接穿透线粒体膜无须活化。活化后的脂肪酰辅酶A需通过肉碱转运系统进入线粒体基质，其中肉碱棕榈酰转移酶I是限速酶，其活性受丙二酰辅酶A的负反馈调节。
β-氧化在线粒体基质中进行，每轮循环产生1分子乙酰辅酶A。脂肪酰辅酶A经脱氢、水化、再脱氢、硫解四步反应，每次缩短两个碳原子并生成NADH和FADH2。硬脂酸经过8轮β-氧化可完全分解为9分子乙酰辅酶A。肝脏中产生的乙酰辅酶A部分可转化为酮体供外周组织利用。β-氧化速率受机体能量需求调控，运动时肾上腺素通过激活激素敏感性脂肪酶加速该过程。
三羧酸循环是脂肪氧化的终末阶段，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，经8步酶促反应彻底氧化。每分子乙酰辅酶A可生成3分子NADH、1分子FADH2和1分子GTP，这些还原当量进入呼吸链产生大量ATP。三羧酸循环受ATP/ADP比值调控，能量充足时异柠檬酸脱氢酶被抑制。脂肪氧化产生的能量约是同等质量糖类的2.5倍，但需更多氧参与。
保持规律有氧运动可提升脂肪氧化效率，建议每周进行150分钟中等强度运动如快走、游泳。饮食中适量增加富含左旋肉碱的瘦肉、乳制品，避免长期空腹运动导致肌肉分解。糖尿病患者需注意酮体生成情况，妊娠期妇女应保证足够碳水化合物摄入防止酮症。当出现不明原因体重下降伴酮尿时，应及时就医排查代谢异常。