脂肪酸在人体内的代谢主要分为分解代谢和合成代谢两大部分。

脂肪酸分解代谢主要在肝脏和肌肉组织的线粒体中进行。在供氧充足的情况下，脂肪酸可以完全分解为二氧化碳和水，产生大量的能量。短链和中链脂肪酸可以通过线粒体膜，然后在基质内激活。而长链脂肪酸则需要通过肉碱的转运才能进入线粒体基质。在β-氧化酶系的催化下，脂肪酸进行有序氧化分解，每经过一次β-氧化可生成一分子乙酰辅酶A以及少两个碳原子的脂酰辅酶A。长链脂肪酸分解的主要产物乙酰辅酶A可进入三羧酸循环彻底氧化，生成二氧化碳和水。在相同碳原子数的情况下，脂肪酸氧化能提供比葡萄糖更多的能量。

分解代谢的另一个产物是酮体，包括乙酰乙酸、β-羟丁酸以及丙酮。酮体可迅速通过血脑屏障和肌肉的毛细血管壁，为肝外组织供能。酮体的生成与糖代谢密切相关，在饥饿或糖供能不足的情况下，酮体生成增加，以减少葡萄糖和蛋白质的消耗。

脂肪酸的合成代谢主要在肝脏进行。从乙酰辅酶A出发，通过一系列酶的催化作用合成脂肪酸。合成过程中，乙酰辅酶A在线粒体内产生，通过柠檬酸-丙酮酸循环转运至胞质内。在细胞液中，乙酰辅酶A参与脂肪酸的合成，产生软脂酸。该过程由乙酰辅酶A羧化酶催化，为脂肪酸合成的限速酶。合成脂肪酸的另一个关键酶是脂肪酸合成酶，其催化反应生成软脂酸。合成过程中，脂肪酸碳链延长包括内质网和线粒体碳链延长系统，通过碳链延长反应生成不同长度和饱和度的脂肪酸。此外，人体肝及脂肪组织的细胞内含有混合功能氧化酶，可以将饱和脂肪酸去饱和为不饱和脂肪酸。