Cytochrom P450 jest ważnym elementem w metabolizmie ksenobiotyków, zwłaszcza o charakterze hydrofobowym. Produkty metabolizmu zwykle są bardziej hydrofilowe od substratów, co sprzyja ich dalszemu metabolizowaniu i wydalaniu. Bierze również udział w przemianach kwasów tłuszczowych i eikozanoidów.
Oprócz reakcji hydroksylowania katalizuje również epoksydację, dealkilację, oksydacyjną deaminację (np. w metabolizmie amfetaminy), N- oraz S-oksydację i dehalogenację. Bierze również udział (obok dehydrogenazy alkoholowej) w detoksykacji alkoholowej. Wszystkie te reakcje wymagają obecności tlenu i NADPH.
Większość form cytochromu P450 wykazuje niską specyficzność do substratu, katalizując przemianę wielu różnych substancji, także takich, z którymi organizm nie miał kontaktu w rozwoju filogenetycznym (a więc nie miał możliwości ewolucyjnego wykształcenia enzymów o odpowiedniej specyficzności. Niska specyficzność substratowa cytochromu P450 jest tu przystosowaniem ewolucyjnym do metabolizowania szerokiego spektrum ksenobiotyków). Biologiczny okres półtrwania wielu leków jest związany z ich inaktywacją przez cytochrom P450. Ze względu na to często jest obiektem zainteresowania farmakologii.