在正常情況下，維生素D的代謝和血清鈣磷濃度的變化有一系列的反饋調節，所以一般不會對人造成毒性。長期使用大劑量的維生素D會因血液中維生素D及其代謝物的過飽和而引起中毒。一般認為，維生素D的用量超過正常生理需要的50至100倍，如兒童每天服用500至125微克（20,000至50,000U）的維生素D，連續服用數週或數月後可出現中毒現象。不同的人對維生素D的耐受量和中毒量差異很大。
維生素D中毒的主要表現是高鈣血癥、異位鈣化和纖維性骨炎。異位鈣化可發生在各種器官，如主動脈、心臟、軟組織，更嚴重的是發生在腎臟，導致腎衰竭，以及發生在骨髓，引起骨硬化。臨床表現為厭食、噁心、嘔吐、頭痛、虛弱、體溫過低、嗜睡、口渴、多尿，尿中糖、蛋白質、紅細胞和腎小管陽性，以及尿鈣。血鈣>3mmol/L（12mg/dl）。X線檢查長骨骨骺的臨時鈣化區密度增加和增寬，骨幹皮質增厚，骨質疏鬆症或骨硬化症。
如果考慮維生素D過量，應立即停藥並限制鈣和維生素D的攝入。可採用口服潑尼松2mg/（kg-d），也可採用降鈣素50-100U/d，肌肉注射或二磷酸鹽和水化等方法，大多數兒童可恢復。
