Vitamini su jedan od najvažnijih nutrijenata za pravilno funkcioniranje ljudskog tijela. Iako vitamini ne daju energiju poput ugljikohidrata niti djeluju kao gradivni blokovi za rast tkiva poput proteina, oni pomažu u sintezi i transportu hranjivih tvari kroz tijelo, kao i u održavanju ravnoteže sustava. Nedovoljan unos vitamina može dovesti do bolesti; veza između vitamina i bolesti nedostatka dobro je poznata kod stanja kao što su rahitis, beri-beri, skorbut i perniciozna anemija. Na primjer, unos premalo vitamina C može dovesti do skorbuta. Uravnotežena prehrana s voćem i povrćem pomaže osigurati adekvatan unos vitamina.
Rahitis je bolest uzrokovana prvenstveno nedostatkom adekvatnog vitamina D, a simptomi su joj slabe kosti, zaostajanje u razvoju skeleta i česti grčevi mišića. Odnos između vitamina i bolesti nedostatka može se vidjeti kada tijelo ne dobiva dovoljno vitamina D iz sunčeve svjetlosti, kalcija ili fosfata. Ove tvari također djeluju kao elektroliti, odnosno spojevi koji prolaze električne impulse kroz živčani sustav. Kada tijelo ne prima kalcij iz hrane, on ga crpi iz koštanog sustava. Kalcij i fosfor koji osiguravaju vitamin D mogu se naći u mlijeku i lisnatom povrću ili se mogu uzimati vitaminski dodaci.
Beriberi također pokazuje povezanost između vitamina i bolesti nedostatka. Tiamin, ili vitamin B1, kritična je tvar u razgradnji glukoze i drugih energetskih molekula. Također djeluje kao dirigent za živčane impulse čineći neuralne receptore aktivnijim. Bez odgovarajuće opskrbe B1, mogu se pojaviti simptomi kao što su letargija, nejasan govor, ubrzan rad srca i nedostatak koordinacije mišića. Suhi beriberi utječe na živčani sustav, dok mokri beriberi utječe na kardiovaskularni sustav.
Tijekom doba istraživanja, početkom 15. do 17. stoljeća, skorbut je bio uobičajena bolest mornara zbog nedostatka vitamina C u njihovoj prehrani. Skorbut je posljedica toga što tijelo ne apsorbira željezo, ne proizvodi dovoljno kolagena za održavanje elastičnosti tkiva i time ne održava imunološki sustav. Početni simptomi su slab apetit, proljev i gubitak težine; progresijom bolesti dolazi do krvarenja zubnog mesa i drugih sluznih tkiva, karijesa, kožnih poremećaja i infekcije hrskavice i vezivnog tkiva. Povijesno gledano, skorbut je najčešće bio smrtonosan kada mornari nisu imali pristup citrusima jer su oni davali najviše vitamina C.
Veza između vitamina i bolesti nedostatka uključuje i pernicioznu anemiju, koja se javlja kada se smanji broj crvenih krvnih stanica u tijelu. To se događa kada u tijelu nema dovoljno kombalamina ili vitamina B12. Vitamin B12 se normalno kombinira s proteinom zvanim unutarnji faktor, koji se luči u želucu. Kada kombinirani B12 i intrinzični faktor dođu u tanko crijevo, tvar se apsorbira i pretvara u crvene krvne stanice.