在生物化學和新陳代謝中，β-氧化是脂肪酸分子在原核生物的胞質溶膠和真核生物的線粒體中分解生成乙酰輔酶 A（進入檸檬酸循環）以及 NADH 和 FADH2（后者進入檸檬酸循環）的分解代謝過程。 是電子傳遞鏈中使用的輔酶。 之所以這樣命名，是因為脂肪酸的 β 碳會氧化成羰基。 β-氧化主要由線粒體三功能蛋白促進，這是一種與線粒體內膜相關的酶復合物，盡管非常長的鏈脂肪酸在過氧化物酶體中被氧化。

由于帶負電荷，游離脂肪酸不能穿透任何生物膜。 游離脂肪酸必須通過特定的轉運蛋白（例如 SLC27 家族脂肪酸轉運蛋白）穿過細胞膜。 一旦進入胞質溶膠，以下過程會將脂肪酸帶入線粒體基質，以便發生 β 氧化。

• 長鏈脂肪酸 - CoA 連接酶催化脂肪酸與 ATP 之間的反應，生成脂肪酰基腺苷酸和無機焦磷酸鹽，無機焦磷酸鹽隨后與游離輔酶 A 反應生成脂肪酰基輔酶 A 酯和 AMP .
• 如果脂酰輔酶 A 具有長鏈，則必須利用肉堿穿梭：
• 酰基輔酶 A 通過肉堿棕櫚酰轉移酶 I 轉移到肉堿的羥基，位于線粒體內外膜的胞質表面。
• 酰基肉堿通過肉堿-酰基肉堿轉位酶在內部穿梭，而肉堿在外部穿梭。
• 酰基肉堿通過位于線粒體內膜內表面的肉堿棕櫚酰轉移酶 II 轉化回酰基輔酶 A。 釋放的肉堿穿梭回胞質溶膠，就像酰基肉堿穿梭到基質中一樣。
• 如果脂肪酰基輔酶 A 含有短鏈，這些短鏈脂肪酸可以簡單地擴散穿過線粒體內膜。

一旦脂肪酸進入線粒體基質內部，β-氧化就會通過在每個循環中裂解兩個碳原子形成乙酰輔酶 A 來發生。 該過程包括 4 個步驟。

• 長鏈脂肪酸脫氫后在 C2 和 C3 之間形成反式雙鍵。 這是由酰基輔酶 A 脫氫酶催化產生反式 δ 2-烯酰輔酶 A。 它以FAD為電子受體，被還原為FADH2。
• 反式 delta2-烯酰輔酶 A 在雙鍵處水合，通過烯酰輔酶 A 水合酶產生 L-3-羥酰基輔酶 A。
• L-3-羥酰基輔酶 A 再次脫氫，通過 3-羥酰基輔酶 A 脫氫酶生成 3-酮酰基輔酶 A。 該酶使用 NAD 作為電子受體。
• 硫解發生在 3-酮脂酰輔酶 A 的 C2 和 C3（α 和β 碳）之間。 當一個新的輔酶 A 分子通過對 C3 的親核攻擊斷開鍵時，硫解酶會催化反應。 這釋放了前兩個碳單元，如乙酰輔酶 A 和脂肪酰基輔酶 A 減去兩個碳。 該過程一直持續到脂肪酸中的所有碳都轉化為乙酰輔酶 A。

脂肪酸被體內大部分組織氧化。 然而，一些組織，如哺乳動物的紅細胞（不含線粒體）和中樞神經系統的細胞不使用脂肪酸來滿足其能量需求，而是使用碳水化合物（紅細胞和神經元）或酮 體（僅限神經元）。

由于許多脂肪酸未完全飽和或不具有偶數個碳，因此演化出幾種不同的機制，如下所述。

一旦進入線粒體，每個 β-氧化循環都會釋放一個雙碳單元（乙酰輔酶 A），并依次發生四個反應：

這個過程一直持續到整個鏈被切割成乙酰輔酶 A 單元。 最后一個循環產生兩個獨立的乙酰輔酶 A，而不是一個酰基輔酶 A 和一個乙酰輔酶 A。 對于每個循環，酰基 CoA 單元都會縮短兩個碳原子。 同時，形成一分子 FADH2、NADH 和乙酰輔酶 A。

通常，在植物和一些海洋生物的脂質中發現了碳原子數為奇數的脂肪酸。 許多反芻動物在發酵過程中會形成大量的3-碳丙酸。