Phenylalanin trägt zur Synthese wichtiger körpereigener Proteine bei. Dazu gehören beispielsweise Insulin, Papain und Melanin sowie das Schilddrüsenhormon Thyroxin. Phenylalanin kann in die vom Gehirn benötigte Botenstoffe (Neurotransmitter Dopamin, Serotonin und Tyramin) umgewandelt werden und hat auf diese Weise anregende sowie schmerzstillende Wirkung. Es kann die Gedächtnisleistung stärken und den Appetit zügeln. Phenylalanin wird außerdem für die Beseitigung von Schadstoffen durch die Nieren und Blase benötigt. Es wird in der Leber zu Tyrosin umgewandelt, welches ausschließlich aus dieser Aminosäure hergestellt werden kann. Tyrosin wird danach in andere Stoffe, Hormone und Neurotransmitter, umgebaut. Tyrosin ist beispielsweise ein Vorläuferstoff des Hautpigmentes Melanin, und es trägt dazu bei, das Schilddrüsenhormon Thyroxin zu bilden. Phenylalanin ist außerdem dazu in der Lage, Enzyme im zentralen Nervensystem zu blockieren, welche die körpereigenen "Schmerzstiller" abbauen. Werden sie gehemmt, können bestimmte Stoffe (Enkephaline) Schmerzen besser lindern. DL-Phenylalanin hat außerdem antidepressive Fähigkeiten, es wird aber vor allem eingesetzt, um chronische Schmerzen (z.B. Rückenschmerzen, Arthritis, menstruationsbedingte Schmerzen, Migräne) zu lindern.

Von einer randomisierten doppelblinden Gruppenvergleichsstudie berichtet das International Journal of acupuncture and electro-therapeutics research, 15, 1990, S. 121-135. Jeweils 30 Teilnehmern mit Rückenschmerzen wurden mit Elektro-Akkupunktur + Phenylalanin bzw. Elektro-Akkupunktur + Placebo behandelt. Beobachtet wurde eine Signifikant bessere Schmerzreduktion durch das Phenylalanin (+35%)

Das aus Phenylalanin gebildete Tyrosin kann als milder Appetitzügler wirken, Stimmungen können sich bessern, und beim prämenstruellen Syndrom können Reizbarkeit, Depressionen und Müdigkeit gesenkt werden. Bei der Parkinson´schen Krankheit kann Phenylalanin dazu beitragen, den Neurotransmitter Dopamin zu erhöhen und die Krankheitssymptome zu mildern.