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正常成人的胆红素主要来源于循环中裂解的衰老红细胞，约占总量的80％～85％；另有10％～l5％来自骨髓中先行裂解的未成熟红细胞（即无效造血）；1％～5％来自肝内含有血红素的蛋白质，如过氧化物酶、过氧化氢酶、细胞色素P450等。
上述途径形成的胆红素为游离胆红素，因未经肝细胞摄取，未与葡萄糖醛酸结合，故称非结合胆红素（unconjugated bilirubin，UCB）。非结合胆红素系脂溶性，不溶于水，于循环中附着于白蛋白上，以胆红素一白蛋白复合物的形式随血流到肝脏，在循环过程中不能经肾小球滤过，故尿中无非结合胆红素。
非结合胆红素通过血窦内皮细胞的窗孔进入血窦内皮细胞与肝细胞之间的窦周隙（即Disse隙），然后经血窦面肝细胞膜上有机阴离子转运蛋白（oATP）的介导并在谷胱甘肽的调节下进入肝细胞。非结合胆红素在肝细胞内通过丙酸羧基的酯化转变为单葡萄糖醛酸酯（BMG）和双葡萄糖醛酸酯（BDG），其中双酯占85％。因非结合胆红素在酯化过程中已与葡萄糖醛酸结合，故又称结合胆红素（conjugated bilirubin，CB），介导非结合胆红素酯化的酶系称尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（UGT），当该酶的编码基因变异时，可使非结合胆红素的酯化过程障碍而出现黄疸。
在肝细胞内形成的结合胆红素被运送至毛细胆管面肝细胞膜上，在毛细胆管多特异性有机阴离子转运蛋白（cMOAT），又称多重抗药相关蛋白（MRP2）的介导下逆150倍高浓度以主动耗能方式分泌人毛细胆管腔，并经胆道系统进入肠腔。任何损伤MRP2结构或影响MRP2转运蛋白功能的因素都可能影响结合胆红素的排泄而诱发高胆红素血症，使临床表现为黄疸。结合胆红素为水溶性，可经肾小球滤过而在尿中出现。
进入肠腔的结合胆红素在肠上皮细胞分泌的p葡萄糖苷酶的作用下又被水解成为非结合胆红素而经肠壁细胞吸收进入"胆红素的肠肝循环'.此外还可在回肠末端及结肠大肠杆菌HGU-3的作用下水解产生尿胆原，进而又被氧化为尿胆素，经粪便排出称粪胆素。
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