L-Carnitine speelt een essentiële rol bij de omzetting van vetzuren in metabole energie. Het is de enige stof die langketenige vetzuren over de binnenste mitochondrionmembraan de mitochondria binnen kan brengen, waar ze verbrand worden (bèta-oxidatie ondergaan). Dit is met name van belang in organen zoals bijvoorbeeld het hart, die voor hun energievoorziening sterk afhankelijk zijn van bèta-oxidatie en vetverbranding. Omgekeerd transporteert L-carnitine de stofwisselingsproducten van de citroenzuurcyclus weer het mitochondrion uit en terug het cytoplasma in. Bij mensen die dagelijks veel energie verbruiken, zoals bij zware lichamelijke arbeid, sport e.d. verhoogt carnitine de energieproductie in de spiercellen en verbetert het de zuurstofopname. Het remt de vorming en bevordert de verwijdering van melkzuur en heeft een anti-vermoeidheids effect in geval van zuurstofgebrek in de weefsels o.a. als gevolg van langdurige spierarbeid. L-Carnitine wordt ook gebruikt bij gebrek aan energie en uitputting door ziekte. Zware inspanning heeft echter wel een verhoogde afbraak van L-carnitine tot gevolg. Marathonlopers scheiden sterk verhoogde hoeveelheden L-carnitine uit via zweet en urine, wat de eigen voorraden kan doen uitputten en het herstel vertragen. Bij ongetrainde individuen heeft L-carnitine een significante verbetering van de prestaties tot gevolg, vergelijkbaar met de effecten van training. Omgekeerd verhoogt training de L-carnitineniveaus in de spieren.
Omdat ook sperma grotendeels van vetverbranding afhankelijk is, is L-carnitine is ook van groot belang voor de kwaliteit van het sperma.
L-Carnitine is ook betrokken bij de productie van energie uit ketonlichamen, pyruvaat en/of aminozuren (inclusief de vertakte keten aminozuren). Het heeft eveneens een beschermend effect tegen ammoniak-vergiftiging, doordat het inbouw van ammoniak in ureum bevordert.
Omdat L-carnitine vrijwel uitsluitend in dierlijke producten voorkomt (carnis = vlees), en een vegetarische voeding vaak ook arm is aan de bouwstenen van L-carnitine (lysine en methionine) kunnen deficiënties ontstaan bij pure vegetariërs.
L-Carnitine wordt verder al vijftien jaar toegevoegd aan zuigelingenvoeding wat het belang en de veiligheid van dit nutriënt nog eens onderstreept.