Karnityna jest aktywnie transportowana do wnętrza komórek.
W warunkach tlenowych karnityna poprawia funkcję mięśnia sercowego poprzez zwiększenie β-oksydacji kwasów tłuszczowych, zapewniając 80% produkcji ATP. W warunkach niedoboru tlenu, w wyniku tego procesu w komórkach mięśnia sercowego mogą się gromadzić cytotoksyczne metabolity pośrednie. Zmniejszone wewnątrzkomórkowe stężenie karnityny powoduje zmniejszenie metabolizmu kwasów tłuszczowych, co powoduje zwiększenie glikolizy podczas niedokrwienia, a co za tym idzie wywołuje efekt cytoprotekcyjny oraz zwiększa efektywność syntezy ATP, ponieważ utlenianie węglowodanów zużywa mniejszą liczbę cząsteczek tlenu na wyprodukowanie jednej cząsteczki ATP niż β-oksydacja kwasów tłuszczowych.
Meldonium, które jest analogiem karnityny, hamuje hydrolazę γ-butyrobetainy (która katalizuje ostatni etap endogennej syntezy karnityny), hamuje również transport karnityny przez błonę komórek wątrobowych oraz nerkowych oraz zmniejsza aktywność palmitoilotransferazy karnitynowej I (CPT I) w czółenku karnitynowym zlokalizowanym w zewnętrznej błonie mitochondrialnej.