D-丝氨酸用于生化研究，组织培养基的制备，医药上用作氨基酸类营养药。过去长期研究一直认为D-丝氨酸只存在于细菌中，而在高等动物包括人类体内只存在L-丝氨酸。最近二十年来科研人员研究表明D-丝氨酸广泛存在于人类血清、唾液、尿液、视网膜特别是大脑内，对人体新陈代谢产生重大作用。
D-丝氨酸( D-Ser)作为神经递质发挥重要作用的同时,其与氧化代谢酶D-氨基酸氧化酶(DAAO)具有细胞毒性,与癫痫、精神分裂症、老年痴呆症、抑郁症、焦虑症、成瘾等神经精神疾病的发生、发展有密切关系。
丝氨酸是L-丝氨酸经消旋作用转化而来的。
D-丝氨酸是在认知增强和精神分裂症治疗中起作用的氨基酸。
补充D-丝氨酸可以减少认知能力下降的症状。它还能减少以减少N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）信号为特征的疾病症状，其中包括可卡因依赖和精神分裂症。
已知谷氨酰胺能信号传导可增强记忆形成，因为NMDA受体的激活引起钙内流和动员钙调蛋白依赖性激酶（CaMK）和CREB结合蛋白，其起作用以诱导长时程增强（LTP），其被称为记忆的机制基础形成，并导致NMDA信号传导（特别是通过NR2B亚基）的增加引起记忆力和LTP的增加。这也是用L-苏糖酸镁观察到的记忆增强机制。由于D-丝氨酸能够通过NMDA受体增强信号传导（在1μM时增强52+/-16％，活性增加至30μM），与此过程中D-丝氨酸的活力配对和已知海马细胞对D-丝氨酸刺激的敏感性，认为补充D-丝氨酸可促进记忆和学习。
通过影响NMDA甘氨酸结合位点并因此通过NDMA受体正向调节信号传导，D-丝氨酸施用被认为能够减轻精神分裂症的症状。精神分裂症似乎是一种D-丝氨酸缺乏状态（原因或效果未确立）。阳性和阴性症状量表（PNSS）评估，有限的阳性研究倾向于注意到精神分裂症阴性症状改善17-30％，其中30mg/kg（总体为2.12+/-0.6g）D-丝氨酸在一种类似的研究条件下，效价与800mg/kg甘氨酸相似。随着时间的推移，测量消极症状进展的研究注意到补充剂2周内的有益作用，其在6周观察期内增加效力，并且在60-120mg/kg范围内以更高剂量获益更明显。
D-丝氨酸似乎可有效减少精神分裂症的所有症状（多数为阴性和认知性，对阳性反应较少），但标准推荐剂量为30mg/kg似乎不可靠。这可能是由于D-丝氨酸达到血液的量有很大的变异性，并且基于有限的证据，服用更高的剂量似乎更可靠。
帕金森氏病似乎有一些症状（减损动机和起始/情绪反应），其类似于在精神分裂症中的阴性症状（情感淡漠和隔离），并且由于二者的相似之处，被认为服用D-丝氨酸可能是有用的。此外，纹状体中的多巴胺能神经元参与NMDA信号传导，而帕金森病患者的NMDA受体已知会发生改变。