脂肪酸的氧化作用主要有兩種方式：α-氧化和β-氧化。在α-氧化過程中，脂肪酸分子中的α-碳原子首先被羥基化，再進一步經過脫氫、脫羧形成脂肪醛，然後在水的參與下脫氫，氧化成比原來脂肪酸分子少一個碳原子的脂肪酸。而在β-氧化過程中，脂肪酸在有充足氧供給的情況下，可氧化分解為CO2和H2O，釋放大量能量。
脂肪酸首先需要被活化，形成脂醯CoA，這是脂肪酸參加代謝的前提條件。活化後的脂醯CoA進入線粒體，線上粒體基質中的酶系催化下進行β-氧化。這個過程可以分為四步連續反應：脫氫、水化、再脫氫和硫解，生成乙醯CoA和比原來少兩個碳原子的脂醯CoA，這個過程可以重複進行，直到脂肪酸完全氧化。
這兩種氧化作用都是脂肪酸在體內分解代謝的重要途徑，對於能量的產生和脂肪代謝的調節具有重要作用。