羟化酶可以使色氨酸的C羟基化，使色氨酸转化为5-羟色氨酸（5-HTP）。这一催化氧化反应是神经递质5-羟色胺生物合成过程中的启示步及限速步。色氨酸羟化酶也是褪黑素生物合成过程中需要用到的第一种酶。 色氨酸羟化酶（TPH）与酪氨酸羟化酶（TH）、苯丙氨酸羟化酶（PAH）等皆为芳香族氨基酸羟化酶超家族（superfamily）的成员，负责催化重要代谢途径中的关键步骤。与酪氨酸羟化酶、苯丙氨酸羟化酶类似，色氨酸羟化酶也以(6"R")--赤型-5,6,7,8-四氢生物蝶呤（BH）及双氧（O）作为氧化还原的底物。