Do niedawna uważano, że rola mikrobioty jelitowej sprowadza się do udziału w procesach związanych jedynie z trawieniem i wchłanianiem substancji z resztek pokarmowych. Niezwykle liczne symbiotyczne gatunki mikrobioty jelitowej produkują niezbędne enzymy, witaminy (K, witaminy z grupy B) oraz wiele innych substancji wpływających na układ pokarmowy, układ immunologiczny czy układ nerwowy (np. serotonina, kwas γ-aminomasłowy). Na drodze fermentacji bakterie syntetyzują również kwas mlekowy obniżający pH treści jelitowej. Ponadto bakterie ochronne (z rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterum) konkurują z patogenami o zasoby, czyli składniki odżywcze niezbędne im do wzrostu oraz miejsce przylegania do nabłonka jelitowego.

Do takich bakterii ochronnych zalicza się również niektóre gatunki bakterii z rodzaju Lactobacillus syntezujące nadtlenek wodoru (H2O2), który aktywnie spowalnia rozwój bakterii i grzybów chorobotwórczych. Wiele bakterii jelitowych ma zdolność produkowania bakteriocyn, które hamują wzrost innych bakterii i grzybów. Poza resztkami pokarmowymi mikrobiota jelitowa rozkłada również złuszczone komórki nabłonka, mucyny, składniki żółci, niektóre leki i część potencjalnych związków kancerogennych.

Kolejną kluczową funkcją mikrobioty jelitowej jest produkcja krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA, ang. short-chain fatty acids) m.in. to niezbędne kwas octowy, propionowy i masłowy. Uczestniczą one w wielu przemianach chemicznych w jelitach i odżywiają nabłonek jelitowy, pozytywnie wpływając na integralność bariery jelitowej. Coraz więcej badań akcentuje znaczenie mikrobioty jelitowej w kształtowaniu odporności, ochronie przed patogenami, aktywacji i w treningu immunologicznym zachodzącym w tkankach limfatycznych związanych z GALT (ang. gut-associated lymphoid tissue) stanowiącym część układu odpornościowego błon śluzowych MALT (ang. mucosa-associaited lymphoid tissue).

Oszacowano, że 70% limfocytów w organizmie ludzkim jest związane z jelitami. W związku z czym określa się jelita centralnym organem układu immunologicznego. W kępkach Peyera w GALT za pośrednictwem komórek M i komórek dendrytycznych zachodzi trening immunologiczny głównych komórek układu immunologicznego (limfocytów, makrofagów, plazmocytów, mastocytów i granulocytów). Proces ten ma istotny wpływ na odporność na zróżnicowane zakażenia, czas ich trwania oraz występowanie nawrotów infekcji.

Ponieważ niektóre gatunki lub rodzaje bakterii wchodzące w skład mikrobioty, szczególnie w nadmiarze, mogą wykazywać właściwości chorobotwórcze, kluczowe jest zachowanie przewagi bakterii korzystnych dla zdrowia i procesów fermentacyjnych w jelicie. Prawidłowa struktura jakościowa oraz ilościowa mikrobioty jelitowej, charakteryzowana jako stan eubiozy, jest warunkiem fizjologicznej równowagi całego organizmu.