維生素D可調控先天免疫和後天免疫系統的細胞和功能。巨噬細胞、樹突狀細胞(dendritic cells)、T細胞和B細胞等，都具有維生素D受體，維生素D可促進淋巴球活化和增殖、輔助T細胞分化、組織特異性淋巴球移行、製造特異抗體，且維生素D可增加神經營養因子、一氧化氮等合成，提高穀胱甘肽合成量，對抗自由基和外源性毒素、保護DNA等，因此維生素D可增強免疫功能，對抗感染疾病，且保護個體不去製造過量細胞動力素來傷害身體，有益生理保健。 流行病學研究發現，孩童、新生兒、孕婦和成年人發生維生素D缺乏者，較常伴隨呼吸道感染，補充維生素D可減少呼吸道感染風險達12％~40％，減少流感風險達40％。但受限於研究設計和受試對象各有差異，目前未能證實將維生素D列入治療用藥，但學者建議，補充足量維生素D仍是有益健康的。
最近新冠病毒肺炎（COVID-19）肆虐，罹病者死亡率很高，引起全世界民眾恐慌。流行病學研究發現，不同國家的新冠病毒肺炎病患死亡率、緯度和維生素D缺乏盛行率間具相關性。
在2020年9月的Plos Pathogens期刊中，印度學者的系統性回顧論文指出，各種有關對維生素D缺乏者(<20 ng/ml)與病毒性呼吸道感染的相關性研究，尚未得到一致結論。
多項支持維生素D可改善新冠病毒肺炎的2020年研究顯示，（1）新冠病毒肺炎病患合併維生素D缺乏者預後通常較差，維生素D濃度較高者則較佳，（2）生態學實證支持缺乏維生素D與新冠病毒肺炎感染嚴重度具相關性，（3）補充維生素D給美國黑人和新冠病毒肺炎病情較差的病患，可改善病況，（4）維生素D缺乏者或維生素D受體出現變異者，一旦感染新冠病毒肺炎，預後可能較差。但也有一些研究並未支持此種論點，甚至於可能因補充維生素D，反而使病危患者有發生肺部感染Aspergillus的風險。例如在2020年4月的英國學者根據英國UK Biobank的資料分析顯示，單項分析低維生素D與新冠病毒肺炎感染具有相關性（p=0.013），但經校正干擾因素後卻未具有相關性，此結論仍有待進一步的驗證。
究其可能原因，須考量許多因素會影響維生素D濃度受，包括社會經濟地位、陽光曝曬時間（活動地點、緯度、職業等）/曝曬面積（衣著、生活習慣等）、飲食、研究設計、受試者條件、維生素D缺乏程度、維生素D受體基因變異、補充劑量等，都可能會影響研究結論。
先前研究證實，維生素D具有預防呼吸道感染的潛能，尤其嚴重缺乏維生素D的族群更為明顯。但由於決定新冠病毒肺炎預後的因素很多，因此生態學研究只能證實維生素D濃度與新冠病毒肺炎發生率可能有些相關。
理論上，嚴重新冠病毒肺炎患者會出現體內高度發炎風暴，造成身體組織的破壞，使用一般免疫調節藥物，有時會壓制保護性的免疫功能，造成另一種傷害，維生素D具有控制病毒感染，再壓制過高發炎狀態的優勢，恢復免疫平衡，有利於對抗新冠病毒肺炎。
學者指出也可能由於維生素D與其他疾病如糖尿病或高血壓相關，才可改善新冠病毒肺炎嚴重性，讓維生素D只具有間接的影響角色，甚至於也有未達到統計意義的報告。
值此新冠病毒肺炎大流行期間，救急救病刻不容緩，除正規臨床治療外，增加補充維生素D較便宜且安全，建議針對新冠病毒肺炎篩檢結果陽性、且維生素D缺乏高風險的老年族群，檢測血清維生素D（25-OHD）濃度，並適量補充。
臨床上目前學者們不會強調例行使用維生素D來治療或預防新冠病毒肺炎感染，須等有強力實證驗證後，才能定論。這些臨床試驗已在進行中，不久之後會有較明確的答案。即使如此，維生素D還有許多作用，維持正常的濃度仍是必要的目標。
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