Studi recenti evidenziano però la sua azione anche a livello cerebrale ed in particolare nella depressione. La vitamina D ha numerose funzioni nel cervello come la neuroimmunomodulazione, ovvero la regolazione del sistema immunitario a livello cerebrale, la regolazione dei fattori neurotrofici, cioè potenti stimolatori della sopravvivenza dei neuroni, la neuroprotezione, la neuroplasticità, cioè la capacità del cervello di adattarsi a fattori e stimoli interni o esterni, e lo sviluppo cerebrale. Infatti secondo la più recente letteratura scientifica, la carenza di vitamina D potrebbe aver svolto un ruolo significativo nella depressione legata allo stress durante la pandemia di COVID-19, poichè la vitamina D influenza il sistema serotoninergico, legato alla serotonina (ormone del buonumore) e contribuisce al mantenimento dei ritmi circadiani, entrambi associati a sintomi depressivi.
Secondo un importante studio in metanalisi - ombrello del 2022 che ha riassunto i dati di 15 meta-analisi, che includevano 65 studi randomizzati e 31 studi osservazionali, l'integrazione di vitamina D è efficace nell'alleviare i sintomi della depressione ed è stata osservata un'associazione inversa tra livelli sierici più elevati di assunzione di vitamina D e depressione generale. I dati riportati sottolineano il collegamento tra carenza di vitamina D e rischio depressivo, infatti soggetti con livelli più bassi di Vitamina D sono più a rischio di sviluppare depressione, mentre l'assunzione di vitamina D permette di alleviare i sintomi di depressione.