有八种酶参与血红素的生物合成，线粒体和细胞质中各有四种酶。这一过程始于线粒体中琥珀酰辅酶a(来自TCA循环)和甘氨酸的缩合形成5-氨基乙酰丙酸(ALA)。接下来的四个步骤发生在细胞质中。两分子ALA缩合形成单吡咯卟啉原(PBG)。接下来的两步将四分子PBG转化为环状四吡咯尿卟啉原III，然后脱羧成粪卟啉原III。最后三个步骤发生在线粒体中，包括对四吡咯侧链的修饰，最后是铁的插入。除了这些合成步骤，自发的胞浆反应允许形成尿卟啉原I，然后酶解脱羧成粪卟啉原I，不能进一步代谢。

在体内可以区分出两种血红素生物合成过程:一种局限于不成熟的红细胞，提供血红素所需的大量血红素;另一种普遍存在，提供细胞色素P450酶所需的不同数量的血红素(Riddle et al. 1989)。这两个过程在第一步即丁二酰辅酶a与甘氨酸的缩合反应及其调控上差异最大。