脂肪酸氧化（Fatty Acid Oxidation，簡稱FAO）是指在有氧條件下，脂肪酸在體內分解代謝的過程，這個過程會產生二氧化碳和水，並釋放大量能量供機體利用。脂肪酸氧化的過程可以分為幾個階段：
活化階段。脂肪酸首先需要被活化，在ATP、CoA-SH、Mg2+的存在下，脂肪酸由位於內質網及線粒體外膜的脂醯CoA合成酶催化生成脂醯CoA。
轉移階段。活化的脂肪酸需要從胞液轉移至線粒體基質中進行氧化作用，這一過程依賴於L-肉鹼（L-carnitine）的幫助。
β氧化階段。線上粒體基質中，脂肪酸通過β-氧化過程被逐步氧化，這一過程包括脫氫、加水、再脫氫和硫解等步驟，最終生成乙醯CoA。
進入三羧酸循環階段。乙醯CoA進入三羧酸循環，最終產生二氧化碳和水，並釋放能量。
脂肪酸氧化的過程中涉及到多種酶和輔助因子，如肉鹼棕櫚醯轉移酶1和2（CPT1和CPT2），它們在脂肪酸進入線粒體和氧化過程中起著關鍵作用。此外，脂肪酸氧化在能量需求高的組織如心臟和肌肉中尤為重要，它不僅為這些組織提供能量，還與多種遺傳代謝疾病有關。