Cholekalcyferol (witamina D3) jest syntetyzowany w skórze z 7-dehydrocholesterolu, po ekspozycji na światło UVB, i przekształcany w jego biologicznie aktywną postać, 1,25-dihydroksycholekalcyferol, w dwóch etapach hydroksylacji, pierwszym w wątrobie (w pozycji 25) i następnie w tkance nerki (w pozycji 1). 1,25-dihydroksycholekalcyferol, wraz z parathormonem i kalcytoniną, bierze udział w regulacji metabolizmu wapnia i fosforanów. W swojej biologicznie aktywnej postaci, witamina D3 pobudza wchłanianie wapnia w jelicie, wbudowywanie wapnia w osseinę i uwalnianie wapnia z tkanki kostnej. W jelicie cienkim sprzyja wychwytowi wapnia. Ponadto, stymulowany jest bierny i czynny transport fosforanów. W nerce, wydalanie wapnia i fosforanów jest hamowane przez promowanie cewkowego wchłaniania zwrotnego. Wytwarzanie parathormonu (PTH) w przytarczycach jest hamowane bezpośrednio przez biologicznie aktywną postać cholekalcyferolu. Co więcej, wydzielanie PTH jest hamowane przez zwiększony wychwyt wapnia w jelicie cienkim pod wpływem biologicznie aktywnej witaminy D3. W odniesieniu do wytwarzania, regulacji fizjologicznej i mechanizmu działania, tak zwana „witamina” D3 powinna być traktowana jak prekursor hormonu sterydowego. Oprócz fizjologicznego wytwarzania w skórze, cholekalcyferol może być dostarczany z pożywieniem, lub jako lek. Ponieważ podawanie cholekalcyferolu jako leku może spowodować ominięcie hamowania syntezy cholekalcyferolu w skórze przez fizjologiczny produkt, możliwe są przedawkowanie i zatrucia. W przypadku niedoboru witaminy D, wapnienie kośćca jest niewystarczające (krzywica) lub dochodzi do odwapnienia kości (osteomalacja) lub utraty kości (osteoporoza). Niedobór wapnia i (lub) witaminy D indukuje odwracalne zwiększenie wydzielania parathormonu. Ta wtórna nadczynność przytarczyc powoduje zwiększenie obrotu kostnego, mogące prowadzić do łamliwości kości i złamań. Cholekalcyferol pochodzący z pokarmu jest prawie w całości wchłaniany z przewodu pokarmowego w obecności lipidów z pożywienia i kwasów żółciowych, dlatego zaleca się jego spożywanie z głównym posiłkiem dnia. Witamina D3 dociera do wątroby z pomocą swoistego białka transportowego, gdzie ulega metabolizmowi poprzez hydroksylację mikrosomalną do postaci 25-hydroksycholekalcyferolu (25(OH)D3, kalcydiol), pierwotnej postaci przechowywania witaminy D3. 25(OH)D3 ulega wtórnej hydroksylacji w nerce, tworząc główny aktywny metabolit 1,25-hydroksy-cholekalcyferol (1,25(OH)2D3, kalcytriol). Te metabolity krążą z krwią, związane ze swoistą α-globiną. Po pojedynczej dawce doustnej cholekalcyferolu, maksymalne surowicze stężenia pierwotnej postaci przechowywania są osiągane po około 7 dniach. Nie-hydroksylowana witamina D3 jest przechowywana w mięśniach i tkance tłuszczowej i, dlatego, jej biologiczny półokres wynosi ok. 2 miesiące. Po wysokich dawkach witaminy D3, stężenia 25-hydroksywitaminy D3 w surowicy mogą być podwyższone przez kilka miesięcy. Cholekalcyferol i jego metabolity są wydalane głównie z żółcią i kałem. U pacjentów z zaburzeniami czynności nerek, klirens metaboliczny cholekalcyferolu może być obniżony. Zmniejszone wchłanianie witaminy D i zwiększone jej wydalanie występują u pacjentów z upośledzeniem wchłaniania. Osoby z nadwagą mogą nie być w stanie utrzymać odpowiednich poziomów witaminy D3, wynikających tylko z ekspozycji na światło słoneczne, i, prawdopodobnie, będą potrzebowały większych dawek witaminy D3 dla wyrównania niedoborów.