番茄红素所具有的长链多不饱和烯烃分子结构，使其具有很强的消除自由基能力和抗氧化能力。目前对其生物学作用的研究主要集中在抗氧化、降低心血管疾病风险、减少遗传损伤和抑制肿瘤发生发展等方面。
1、增强机体氧化应激能力与抗炎作用
氧化损伤被认为是引起癌症和心脑血管疾病发病增加的主要原因之一。番茄红素的体外抗氧化能力已得到许多实验证实，番茄红素猝灭单线态氧的能力是目前常用的抗氧化剂β-胡萝卜素的2倍多，是维生素E的100倍。
2、保护心脑血管
番茄红素可深入清除血管垃圾，调节血浆胆固醇浓度，保护低密度脂蛋白（LDL）不受氧化，还可修复完善被氧化的细胞，促进细胞间胶质形成，增强血管柔韧度。一项调查研究显示，血清番茄红素浓度与脑梗死和脑出血的发病机率呈负相关。番茄红素抗家兔动脉粥样硬化的研究表明，番茄红素能有效地降低家兔血清总胆固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，其效果与氟伐他汀钠相当。另有研究显示，番茄红素对局部脑缺血有保护作用，其主要通过抗氧化、清除自由基作用抑制神经胶质细胞活性，缩小脑灌注损伤的面积。
3、保护皮肤
番茄红素还有降低皮肤受辐射或紫外线（UV）伤害等功能。当UV照射皮肤时，皮肤中的番茄红素与UV产生的自由基结合，保护皮肤组织免受破坏，与未照射UV的皮肤相比，番茄红素减少31%~46%，其它成分含量几乎不变。有研究表明，通过平时摄入富含番茄红素的食物可对抗UV，避免UV照射产生红斑。番茄红素还可淬灭表皮细胞中的自由基，对老年色斑有明显的褪色作用。
4、增强免疫力
番茄红素可活化免疫细胞，保护吞噬细胞免受自身的氧化损伤，促进T、B淋巴细胞增殖，刺激效应T细胞的功能，促进某些白介素产生及抑制炎症介质生成。研究发现，中等剂量服用番茄红素胶囊，可提高人体的免疫力，减轻急性运动对机体免疫力的损害。