每个细胞都有碳水化合物，其含量为2%~10%，主要以糖脂、糖蛋白和核糖的形式存在。糖是血液的重要成分，即血糖。正常情况下，糖类在人体内的合成与分解保持动态平衡状态。因此，血糖（确切地说是血葡萄糖）浓度也相对恒定。血糖保持相对恒定具有重要的生理意义。因为大脑、中枢神经组织必须依靠血糖供给能量，血糖浓度过低时，心脏、肌肉、大脑的工作能力下降，出现耐力不足、头晕、心悸及饥饿的感觉。当大脑严重缺乏能量时，可出现低血糖惊厥和昏迷。

在体内，碳水化合物和蛋白质结合生成糖蛋白。糖蛋白是生成抗体、激素等重要物质的原料，黏多糖可与蛋白质结合成黏蛋白，是构成结缔组织的基质。半乳糖是构成人体神经组织的成分，糖原是人体热量的贮备。此外，糖和脂形成的糖脂是细胞膜与神经组织的结构成分之一，对维持神经组织系统的机能活动有特别作用。核糖及脱氧核糖是核酸的重要组成成分。人体内的脂肪成分也有一部分是由糖转化而生成的。

碳水化合物是人体进行生命活动的最主要的能源物质，是生命的燃料，每克糖类在体内氧化可产生热能4千卡，主要以葡萄糖的形式被吸收，并迅速氧化给机体提供能量，氧化的最终产物为二氧化碳和水。碳水化合物与机体某些营养素的正常代谢关系密切。碳水化合物有利于机体的氮储留，充足的碳水化合物摄入，可以节省体内蛋白质或其他代谢物的消耗，使氮在体内的储留增加，从而不会致使组织蛋白质过度分解，形成负氮平衡，这种作用称为碳水化合物对蛋白质的节约作用。

碳水化合物是维持大脑、神经、肺组织正常功能的唯一能量来源。当血糖浓度下降时，脑组织可因缺乏能源而使脑细胞功能受损，造成功能障碍，并出现头晕、心悸、出冷汗甚至昏迷等症状。脑、神经和肺组织依靠葡萄糖作为能源物质。

机体肝糖原丰富时，对某些有害物质如细菌毒素解毒作用增强；肝糖原不足时，机体对酒精、砷等有害物的解毒作用显著下降。肝脏中的葡萄糖醛酸具有解毒作用，肝脏中的葡萄糖醛酸能结合某些外来化学物（如阿司匹林、磺胺类等药物），将其排出体外。因而适量吃糖，有利保肝。

一些碳水化合物能促进肠道有益菌生长、刺激肠道蠕动、促进结肠菌群发酵产生短链脂肪酸，有利于粪便排出。如乳糖可促进肠中有益菌的生长，也可加强钙的吸收。碳水化合物丰富的食物，容易增加胃和腹的充盈感。特别是吸收缓慢和消化率低的碳水化合物，充盈感的时间更长。非淀粉多糖类如纤维素和果胶、抗性淀粉、功能性低聚糖等难消化的碳水化合物，虽不能在小肠消化吸收，但刺激肠道蠕动，增加了结肠发酵率，发酵产生的短链脂肪酸和肠道菌群增殖，有助于正常消化和增加排便量。

脂肪在人体内氧化产生热量的过程中首先生成酮，酮在糖类的辅助作用下继续氧化产生热量。若缺少糖类辅助，则脂肪氧化不能彻底，只产生酮。酮在人体内积蓄，可发生酮血症、酮尿症。如果糖类供应充足，碳水化合物可提供充足的草酰乙酸，同脂肪分解产生的乙酰基结合，进入三羧酸循环被彻底氧化。从而，避免了由于脂肪酸氧化不全而产生过量的酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮）所导致的酮血症。故而糖类的充足供给，具有辅助脂肪彻底氧化和抗生酮作用，饥饿、糖尿病或高脂肪饮食时，均有可能发生酮症。