供给能量是膳食碳水化合物的主要功能，人体每天维持健康所需的能量约50%-60%由碳水化合物提供。碳水化合物进入体内后，其所含的双糖和多糖被分解为单糖形式，主要是以葡萄糖的形式被吸收，并迅速氧化、给机体提供能量，每克葡萄糖可产生4kcal）能量。当碳水化合物摄入过多时，以糖原的形式储存在肝脏和肌肉中，也可以储存成脂肪。
构成机体组织是碳水化合物的又一重要功能，比如糖和脂形成的糖脂是细胞膜与神经组织的结构成分之一，对维持神经系统机能有特殊作用。糖与蛋白质结合生成糖蛋白同样具有重要的生理功能，如构成抗体、酶和激素。
碳水化合物还参与体内营养素的代谢，如脂肪代谢产生的乙酰基必须与葡萄糖的代谢产物草酰乙酸结合，才能进入三羧酸循环被彻底氧化，如果碳水化合物摄入不足，脂肪氧化不全，会产生过量的酮体。这也是一些女性减肥不吃主食发生酮症酸中毒的原因。
碳水化合物的多糖中有一类营养素被称为膳食纤维，其在小肠内不被消化吸收，但在结肠中可被细菌部分分解和发酵，产生短链脂肪酸并刺激肠道菌群增殖，被称为益生元。此外，膳食纤维吸水性强，能增加粪便体积，促进肠蠕动，缓解便秘。同时，膳食纤维能吸附肠道中的胆酸使之随粪便排出，有利于降低血清胆固醇。由于膳食纤维在小肠不被吸收，与食糜混合后减少肠道对糖的吸收，有平衡血糖作用。
