番茄紅素所具有的長鏈多不飽和烯烴分子結構，使其具有很強的消除自由基能力和抗氧化能力。目前對其生物學作用的研究主要集中在抗氧化、降低心血管疾病風險、減少遺傳損傷和抑制腫瘤發生發展等方面。
1、增強機體氧化應激能力與抗炎作用
氧化損傷被認為是引起癌癥和心腦血管疾病發病增加的主要原因之一。番茄紅素的體外抗氧化能力已得到許多實驗證實，番茄紅素猝滅單線態氧的能力是目前常用的抗氧化劑β-胡蘿卜素的2倍多，是維生素E的100倍。
2、保護心腦血管
番茄紅素可深入清除血管垃圾，調節血漿膽固醇濃度，保護低密度脂蛋白（LDL）不受氧化，還可修復完善被氧化的細胞，促進細胞間膠質形成，增強血管柔韌度。一項調查研究顯示，血清番茄紅素濃度與腦梗死和腦出血的發病機率呈負相關。番茄紅素抗家兔動脈粥樣硬化的研究表明，番茄紅素能有效地降低家兔血清總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）水平，其效果與氟伐他汀鈉相當。另有研究顯示，番茄紅素對局部腦缺血有保護作用，其主要通過抗氧化、清除自由基作用抑制神經膠質細胞活性，縮小腦灌注損傷的面積。
3、保護皮膚
番茄紅素還有降低皮膚受輻射或紫外線（UV）傷害等功能。當UV照射皮膚時，皮膚中的番茄紅素與UV產生的自由基結合，保護皮膚組織免受破壞，與未照射UV的皮膚相比，番茄紅素減少31%~46%，其它成分含量幾乎不變。有研究表明，通過平時攝入富含番茄紅素的食物可對抗UV，避免UV照射產生紅斑。番茄紅素還可淬滅表皮細胞中的自由基，對老年色斑有明顯的褪色作用。
4、增強免疫力
番茄紅素可活化免疫細胞，保護吞噬細胞免受自身的氧化損傷，促進T、B淋巴細胞增殖，刺激效應T細胞的功能，促進某些白介素產生及抑制炎癥介質生成。研究發現，中等劑量服用番茄紅素膠囊，可提高人體的免疫力，減輕急性運動對機體免疫力的損害。