类胡萝卜素的基本构建块是[[异戊烯二磷酸（异戊烯基焦磷酸，IPP）]]和[[二甲基烯丙基二磷酸（二甲基烯丙基焦磷酸，DMAPP）]]。这两种异戊二烯异构体根据用于合成异构体的生物途径被用来创建各种化合物。已知植物使用两种不同的途径来生产IPP：
• 胞质溶胶：[[0. 甲瓦龙酸途径（MVA途径，甲羟戊酸途径）]]
在动物中，胆固醇的生产开始于使用[[0. 甲瓦龙酸途径（MVA途径，甲羟戊酸途径）]]来创建[[异戊烯二磷酸（异戊烯基焦磷酸，IPP）]]和[[二甲基烯丙基二磷酸（二甲基烯丙基焦磷酸，DMAPP）]]。
• 质体：[[0. 甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP途径）]]
植物使用[[0. 甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP途径）]]来生成[[异戊烯二磷酸（异戊烯基焦磷酸，IPP）]]和[[二甲基烯丙基二磷酸（二甲基烯丙基焦磷酸，DMAPP）]]。[[0. 甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP途径）]]导致[[异戊烯二磷酸（异戊烯基焦磷酸，IPP）]]:[[二甲基烯丙基二磷酸（二甲基烯丙基焦磷酸，DMAPP）]]=5:1
IPP和DMAPP经过一系列反应，最终形成主要的类胡萝卜素前体，即[[香叶基香叶基二磷酸（GGPP）]]。[[香叶基香叶基二磷酸（GGPP）]]可以通过在类胡萝卜素生物合成途径内经历不同的步骤转化为胡萝卜素或黄素。
MEP途径
[[0. 甲基赤藓醇4-磷酸途径（MEP途径）]]
类胡萝卜素生物合成途径
两个GGPP分子通过 phytoene synthase（PSY，植物烯合成酶）缩合，形成15-cis异构体的植物烯。PSY属于鲨烯/植物烯合成酶家族，与参与甾体生物合成的鲨烯合成酶同源。植物烯转化为全反式番茄红素的过程取决于生物体。细菌和真菌使用单一酶，即细菌植物烯脱氢酶（CRTI）进行催化。然而，植物和蓝藻使用四个酶来进行这一过程。这些酶中的第一个是植物型植物烯脱氢酶，它通过脱氢作用在15-cis-植物烯中引入两个额外的双键，并将其两个现有的双键从反式异构化为顺式，产生9,15,9’-tri-cis-ζ-胡萝卜素。这个tri-cis-ζ-胡萝卜素的中部双键通过zeta-胡萝卜素异构酶Z-ISO异构化，产生的9,9’-di-cis-ζ-胡萝卜素再次通过ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）脱氢。这又引入了两个双键，结果是7,9,7’,9’-tetra-cis-番茄红素。CRTISO，一种类胡萝卜素异构酶，需要将顺式番茄红素转化为全反式番茄红素，在还原型FAD的存在下。
这种全反式番茄红素会环化；环化产生了类胡萝卜素的多样性，可以根据端基团的不同来区分。可以是β环或ε环，每个环由不同的酶生成（番茄红素β-环化酶[β-LCY]或番茄红素ε-环化酶[ε-LCY]）。当全反式番茄红素首先与ε-LCY反应，然后与β-LCY进行第二次反应时，产生α-胡萝卜素；而β-胡萝卜素则通过两次与β-LCY的反应产生。[[α-胡萝卜素（α-carotene）]]和[[β-胡萝卜素（β-carotene）]]是植物光系统中最常见的类胡萝卜素，但它们仍然可以通过使用β-水解酶和ε-水解酶进一步转化为黄素，从而产生多种黄素。
调控
人们认为DXS和DXR都是决定速率的酶，使它们能够调节类胡萝卜素的水平。这是在一项实验中发现的，其中DXS和DXR基因过表达，导致产生的幼苗中类胡萝卜素表达增加。此外，J蛋白（J20）和热休克蛋白70（Hsp70）伴侣蛋白被认为参与DXS活性的转录后调控，以至于具有缺陷J20活性的突变体表现出降低的DXS酶活性，同时积累无活性的DXS蛋白。调控也可能由影响合成所需的酶和蛋白质的外部毒素引起。Ketoclomazone是一种土壤施用的除草剂的衍生物，它与DXP合成酶结合。这抑制了DXP合成酶，阻止了DXP的合成，从而停止了MEP途径。使用这种毒素导致在受污染土壤中生长的植物中类胡萝卜素水平降低。Fosmidomycin（抗生素）由于其结构与酶相似，是DXP reductoisomerase（DXP还原异构酶）的竞争性抑制剂。应用这种抗生素阻止了DXP的还原，再次停止了MEP途径。