脂肪酸的結構多樣性源於碳鏈長度、不飽和度、雙鍵幾何構型和位置的排列組合，深刻影響其物理化學性質和生物功能。
物理化學性質的結構基礎
飽和脂肪酸的全反式（all-anti）碳鏈構象允許最大程度的 van der Waals 接觸，熔點隨碳鏈增長而升高（C12 lauric acid: 44°C → C18 stearic acid: 69°C）。cis 雙鍵引入約 30° 的剛性彎折（rigid kink），破壞分子間緊密堆積：油酸（18:1 cis-Δ⁹）Tm = 13°C 對比硬脂酸（18:0）Tm = 69°C，僅一個雙鍵就使熔點驟降 56°C。
多個 cis 雙鍵的累加效應更為劇烈——花生四烯酸（20:4, Tm = -50°C）和 DHA（22:6, Tm = -44°C）在極低溫下仍為液態。值得注意的是，PUFA 中相鄰雙鍵之間通常間隔一個亞甲基（methylene-interrupted pattern，即 1,4-pentadiene 系統），而非共軛雙鍵系統，這是去飽和酶（desaturases）的位置特異性所致。
去飽和酶系統
哺乳動物表達 Δ⁹（SCD1, stearoyl-CoA desaturase）、Δ⁵（FADS1）和 Δ⁶（FADS2）去飽和酶，但缺乏 Δ¹² 和 Δ¹⁵ 去飽和酶（植物特有），故 ω-6 和 ω-3 脂肪酸為必需。FADS 基因座的多型性影響 LC-PUFA 合成效率——某些人群（如南亞裔）FADS1/2 活性較高，可能與長期素食飲食的演化適應有關。
SCD1 催化 stearoyl-CoA → oleoyl-CoA 的反應是二鐵中心加氧酶機制，需要 cytochrome b5 和 NADH-cytochrome b5 reductase 構成的電子傳遞鏈。SCD1 的表現受 SREBP-1c 轉錄因子調控，與肥胖和代謝症候群密切相關。
類二十烷酸（Eicosanoids）
花生四烯酸（AA, 20:4 ω-6）是前列腺素（prostaglandins, PGs）、血栓素（thromboxanes, TXs）和白三烯（leukotrienes, LTs）的前驅物。環氧合酶（COX-1/COX-2）催化 AA → PGH₂ 的反應，是 NSAIDs（阿斯匹靈、ibuprofen）的靶標。阿斯匹靈不可逆乙醯化 COX-1 的 Ser530，永久抑制血小板 TXA₂ 合成（血小板無核，無法再合成 COX-1），是低劑量阿斯匹靈抗血栓的機制。
EPA（20:5 ω-3）競爭 COX 和 LOX 的活性位點，生成較弱的發炎介質（PGI₃、TXA₃、LTB₅），加上 resolvins 和 protectins 等促消退介質（specialized pro-resolving mediators, SPMs）的合成，解釋了 ω-3 脂肪酸的抗發炎效應。
脂質體學（Lipidomics）
現代質譜技術（ESI-MS/MS, MALDI-TOF）結合液相層析可同時定量數千種脂質分子種（lipid species）。脂質命名系統（LIPID MAPS）依據八大類別分類。脂質體學揭示了脂肪酸組成的細胞特異性和疾病相關變化——例如阿茲海默症患者腦中 DHA 含量顯著降低，某些癌細胞上調 SCD1 以增加膜不飽和度支持快速增殖。