膽固醇的合成需要30多個反應，又消耗大量能量，而人體所有細胞卻都有這個途徑。這說明膽固醇的重要性。膽固醇是膜結構的必需成分，可以調節膜的流動性。它也是膽汁酸和多種類固醇激素（性激素、腎上腺皮質激素）的前體。
合成膽汁酸是膽固醇的主要去路。膽汁酸包括遊離膽酸和結合膽酸，前者有膽酸、脫氧膽酸等，後者是他們與牛磺酸或甘氨酸以醯胺鍵結合的產物。其結構特點是24位有羧基，3、7、12位有α-羥基，這些親水基團在環結構的同側，形成一個極性面，所以是很好的乳化劑，能促進食物中脂類物質的消化過程。
膽酸結構模型
在肝臟中，膽固醇先被膽固醇7α-羥化酶催化，形成7α-膽固醇。此酶是本途徑的限速酶，存在於內質網，屬於細胞色素P450家族。反應需要NADPH和分子氧。這是膽汁酸合成的主要途徑，稱為經典途徑或中性途徑。另一條途徑稱為酸性途徑，涉及透過線粒體固醇27-羥化酶（CYP27A1），在其27位羥化。該途徑在人體膽汁酸合成總量中不超過6％。
膽汁酸合成途徑，引自themedicalbiochemistrypage
除作為乳化劑外，膽汁酸還具有代謝調控作用。在肝、腸、腎、腎上腺、脂肪組織和心臟中都發現有膽汁酸受體（BAR）。BAR最初是孤兒核受體，後來發現可以被法尼醇啟用，所以常稱為法尼類X受體（Farnesoid X receptor，FXR）。
在肝臟，FXR上調小異二聚體伴侶（SHP）表達，後者抑制膽汁酸合成的限速酶，膽固醇7α-羥化酶（CYP7A1）的表達。FXR還誘導FGF19表達，從而啟用肝FGF受體4（FGFR4），透過Jun N端激酶（JNK）介導的訊號轉導下調CYP7A1。另外，FXR還啟用與膽汁酸葡萄糖醛酸化有關的UGT2B4基因，增加膽汁酸水溶性，促進其外排。
在肝臟中，FXR還可透過下調SREBP-1c參與脂類代謝，透過上調apoC-II參與脂蛋白代謝，透過啟用PPARα轉錄增強脂肪酸的氧化，透過下調PEPCK和G6PC抑制糖異生等。在棕色脂肪中，膽汁酸可以啟用G蛋白偶聯的膽汁酸受體1（GPBAR1，也稱為GPR131），促進 UCP1產熱。
膽汁酸介導的糖代謝調節。引自Ann Hepatol。 2017 Nov；16 Suppl 1：S15-S20。
雖然各種細胞都可以合成膽固醇，但人體每天仍然需要從食物中攝取300-400 mg膽固醇，而自身合成的膽固醇大約為800-1000 mg（Nutrients。 2018 Jun 13；10（6）。 pii： E760。）。
膳食膽固醇透過NPC1L1蛋白（Niemann-Pick-C1-like-1）被吸收進入小腸上皮細胞，然後被內質網中的醯基膽固醇醯基轉移酶2（acyl-cholesterol acyl transferase，ACAT2）酯化，摻入乳糜微粒（CM）中。乳糜微粒被運送到高爾基體，分泌到淋巴系統，最後進入血液。也有少量多餘的遊離膽固醇可以透過ABCG5和ABCG8排出到腸腔。
膽固醇吸收機制。引自Nutrients。 2018 Jun 13；10（6）。 pii： E760。
腸道膽固醇吸收和分泌的調節主要由肝臟X受體（LXR）介導。LXR可以作為膽固醇感受器，抑制NPC1L1表達，促進ABCG5 / 8的表達，從而防止膽固醇在腸上皮細胞中積累。
膽固醇吸收與合成之間有一種平衡，當合成增加時，吸收減少，反之亦然。例如用阿託伐他汀（Atorvastatin，膽固醇合成抑制劑）治療高血脂時，可使7-烯膽（甾）烷醇（內源性膽固醇合成的標誌）減少76％，而谷甾醇（膽固醇吸收的標誌）增加70％。同時機體也會相應調整基因表達，上調參與膽固醇合成和攝取的基因（SREBP-2、HMGR、LDLR和NPC1L1），下調ABCG5和ABCG8（J Lipid Res。 2011 Mar；52（3）：558-65。）。
膳食膽固醇透過乳糜微粒從小腸運輸到肝臟。肝臟中多餘的膽固醇則透過LDL轉運到其它組織。各種組織透過LDL受體（LDLR）攝取LDL。LDLR在ER中合成，然後易位至細胞表面，與LDL顆粒結合。複合物透過內吞作用被攝入，LDLR返回到細胞表面，LDL顆粒被溶酶體降解。膽固醇酯被水解後，遊離膽固醇可透過ACAT重新酯化並存儲在脂滴中，或用於合成類固醇激素、膽汁酸等。
LDLR結構與功能。引自Int J Mol Sci。 2018 Jun 5；19（6）。 pii： E1676。
LDL顆粒是導致動脈粥樣硬化的重要因素。氧化的LDL（oxLDL）將膽固醇傳遞到動脈壁的巨噬細胞，使之最終成為充滿脂質的泡沫細胞，從而促進動脈粥樣硬化的形成。所以清除多餘膽固醇可以防止動脈粥樣硬化。
膽固醇從外周組織運輸到肝臟，再以膽汁酸或遊離膽固醇的形式排放到膽汁中，被稱為膽固醇逆向轉運（RCT）。在這個過程中，HDL發揮著核心作用。
膽固醇的逆向轉運。引自Nutrients。 2018 Jun 13；10（6）。 pii： E760。
巨噬細胞中的膽固醇可以透過自由擴散或ABCA1、ABCG1、SR-BI介導的途徑外排，然後被HDL中的卵磷脂：膽固醇醯基轉移酶（LCAT）催化，利用卵磷脂C2的不飽和脂肪酸形成膽固醇酯（CE）。CE被HDL中的膽固醇酯轉移蛋白（CETP）轉移到LDL中，再返回肝臟，轉化為膽汁酸，以膽汁酸鹽的形式透過消化道排出。