钴胺素（cobalamin）分子中含钴和咕啉， 是最大、结构最复杂的维生素。咕啉(corrin)的结构类似卟啉，但没有连接成完全共轭结构，所以分子不是平面结构，柔性更强。
金属离子钴位于咕啉环中，六个配位键中的四个由咕啉环提供，第五个由二甲基苯并咪唑基团提供。第六个配位位点是其反应中心，可以与不同的基团结合，产生钴胺素的四种形式：与氰结合的氰钴胺素（氰钴胺）、与羟基结合的羟基钴胺素（羟钴胺）、与甲基结合的甲基钴胺素（甲钴胺），以及与5’-脱氧腺苷结合的辅酶B12（腺苷钴胺）。
腺苷钴胺（adoB12）和甲钴胺（MeB12）是维生素B12的两种活性辅因子形式，天然存在于体内。氰钴胺易结晶，不易被空气氧化，所以常被用作维生素B12的食品添加剂形式。羟钴胺比氰钴胺更容易转化为活性形式，但比氰钴胺稍贵。另外，羟钴胺对氰离子具有强烈的亲和力，可以用作氰化物中毒的解毒剂。
钴胺素是一种很特殊的维生素，它参与的反应都比较特别。人体中钴胺素参与的生化反应主要有三种类型：异构、甲基转移和核糖核苷酸还原。
参与异构反应的是腺苷钴胺素。一些依赖辅酶B12的酶可以催化1,2-迁移分子重排反应，即一个碳原子上的氢原子与相邻碳原子上的一个基团发生易位。例如在丙酸代谢中，甲基丙二酸单酰辅酶A转变为琥珀酰辅酶A的反应就是这样。催化这个反应的是甲基丙二酰辅酶A变位酶（Methylmalonyl-CoA mutase）。反应过程是先由辅酶B12产生一个5’-脱氧腺苷自由基，然后将底物3位上的氢原子转移到自由基上，再把2位上的乙酰基转移到3位，最后把自由基上的氢转到底物的2位，辅酶B12复原。这是一种罕见的自由基催化机制。
核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide reductase）将NDP还原为dNDP，是DNA合成和修复的关键酶，在调节DNA合成的总速率中起关键作用。这个酶也是通过自由基机制催化的。核糖核苷酸还原酶有三种类型，其中的第二类酶也是通过腺苷钴胺中C-Co键的均裂解产生5'-脱氧腺苷自由基进行催化的。
甲基钴胺素可作为甲基载体，接受甲基四氢叶酸提供的甲基，然后把它转移到同型半胱氨酸上，生成甲硫氨酸。这是甲硫氨酸循环的一部分。所以缺乏钴胺素会导致甲硫氨酸循环中断，一碳单位供应不足。在生物体中，嘌呤和胸腺嘧啶的合成都需要一碳单位，它们的合成障碍会影响核酸的合成。这对快速分裂的细胞影响较大，可导致巨红细胞贫血（红细胞巨大而极易破碎）等症状，与叶酸代谢障碍相似。历史上，维生素B12就是在研究恶性贫血的过程中发现的。
钴胺素缺乏也会导致神经系统病变。一方面是因为丙酸代谢需要钴胺素参与，所以缺乏钴胺素会造成甲基丙二酸（MMA）升高。MMA是一种髓鞘去稳定剂，它会抑制脂肪酸合成，也会代替丙二酸进入脂肪酸中。这种异常的脂肪酸被掺入髓鞘质中，会使髓鞘质变得脆弱，容易发生脱髓鞘，最终造成脊髓的亚急性联合变性。另一方面，钴胺素缺乏导致甲硫氨酸减少，而乙酰胆碱、儿茶酚胺等神经递质的合成，还有髓鞘质的甲基化等都需要甲硫氨酸。所以缺乏维生素B12可能对脑和神经系统造成不可逆的损伤，出现一系列症状，如疲劳、嗜睡、头痛、抑郁、记忆力差、行走困难（平衡障碍）等。
胃粘膜能分泌一种粘蛋白，可与维生素B12结合，促进吸收，称为内因子。缺乏内因子时，维生素B12易被肠内细菌及寄生虫夺去，造成缺乏。有的人由于肠胃异常，缺乏这种内源因子，即使膳食中来源充足也会患恶性贫血。植物性食物基本不含维生素B12，所以素食者也易缺乏（紫菜是个例外，它的维生素B12含量与肝脏接近）。英国素食协会建议，没有从添加过钴胺素的强化食品中摄取足量B12的素食者都应该服用补充剂。
所以，钴胺素是一种容易缺乏的营养物质。成人的维生素B12日推荐量为3微克。作为水溶性维生素，通过食物补充一般没有过量的风险，但如果过量注射，就有可能造成毒副作用，比如血液尿酸含量增加，诱发痛风等。
另外，在某些微生物中，钴胺素可以协助脱卤酶催化从有机分子中除去卤原子的反应。这对于环境保护非常有用，因为大多数生物无法处理含有卤素的化学污染物。
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