Točna veza između vitamina D i depresije nije u potpunosti shvaćena. Čini se da postoji korelacija između to dvoje, ako ne i izravna uzročnost. Utvrđeno je da ljudi s kliničkom depresijom imaju manjak vitamina D, iako bi oboje mogli biti simptomi različitog uzroka. Sezonski afektivni poremećaj (SAD) je stanje za koje se smatra da je povezano sa smanjenjem izloženosti jakom svjetlu tijekom zimskih mjeseci, a nedostatak sunčeve svjetlosti također može uzrokovati nedostatak vitamina D. Istraživanja sugeriraju da može postojati uzročna veza između vitamina D i depresije, budući da su pozitivni učinci postignuti davanjem spoja osobama koje pate od depresivnih stanja.
Čini se da postoji neka vrsta veze između vitamina D i depresije. Ljudsko tijelo je sposobno sintetizirati vitamin D ako je dostupno dovoljno sunčeve svjetlosti, pa je nedostatak obično povezan s nedostatkom prirodnog svjetla ili nekom vrstom kvara. Nedostatak sunčeve svjetlosti također može uzrokovati simptome depresije kod nekih ljudi, kao što se vidi kod sezonskog afektivnog poremećaja. Smatra se da nedostatak sunčeve svjetlosti negativno utječe na kemiju mozga, iako je također moguće da niske razine proizvodnje vitamina D mogu doprinijeti ovom poremećaju i drugim oblicima depresije.
Ljudsko tijelo ovisi o vrsti svjetlosti poznatoj kao ultraljubičasto-b (UVB) za proizvodnju vitamina D. Studije i anegdotski dokazi sugeriraju da svjetlosna terapija s UV filterima može poboljšati raspoloženje, sugerirajući da stanja kao što je SAD nisu u potpunosti uzrokovana nedostatkom vitamina D ili poboljšana njegovom prisutnošću. Druge studije, međutim, sugeriraju da vitamin D može imati sličan ili komplementaran utjecaj na raspoloženje. Jedna dvostruko slijepa studija provedena u Australiji sugerira uzročnu vezu između vitamina D i depresije. Ova studija je uključivala davanje vitamina D3 i pokazala pozitivne rezultate jednu standardnu devijaciju u odnosu na placebo.
Anegdotski dokazi također sugeriraju vezu između vitamina D i depresije. Povećana depresija u novijoj povijesti poklopila se s brojnim trendovima koji su smanjili izloženost ljudi sunčevoj svjetlosti, posebno UVB-u potrebnom za proizvodnju vitamina D. Urbanizacija i vrijeme provedeno na radu u zatvorenom prostoru, osobito u zatvorenim uredskim okruženjima, mogu dramatično smanjiti sunčevu svjetlost izlaganje. Potencijalno štetni učinci ultraljubičastog zračenja također su rezultirali širokom upotrebom krema za sunčanje, što može imati neželjeni učinak smanjenja proizvodnje vitamina D. Ništa od ovoga ne dokazuje nužno da niske razine vitamina D uzrokuju depresiju, iako se ipak može vidjeti jaka veza.