炭水化物はエネルギー源として最も重要な栄養素です。エネルギーとして使用されなかった分は、グリコーゲンとして体内に蓄積されます。
牛乳の炭水化物は乳固形分中最も多い物質で、牛乳100g中に4.8g含まれています。その99.8％が乳糖（ラクトース）であり、砂糖の約16％の甘さです。
近年、「プレバイオティクス」としての乳糖が注目されています。
プレバイオティクスとは、消化管上部で分解・吸収されないまま大腸に到達して腸内細菌のえさとなり、発酵し代謝されることで有用菌を活性化したり、腸管の機能を向上させたりして、宿主である私たちに好影響をもたらす食品成分（難消化性のオリゴ糖や多糖類）のことです。
乳糖は、小腸にある乳糖分解酵素（ラクターゼ）によってぶどう糖（グルコース）とガラクトースに分解・吸収されますが、一部は未消化のまま大腸に移行します。
大腸に至った乳糖は、腸内細菌によりグルコースとガラクトースに分解され、さらに代謝されて酢酸、プロピオン酸、酪酸などの短鎖脂肪酸になってから吸収されます。
吸収された短鎖脂肪酸は、肝臓や末梢組織で利用されます。特に酪酸は、大腸の上皮細胞のエネルギー源として大腸の健康の保持に関わっています。さらに体内に取り込まれて免疫系に作用し、炎症やアレルギーを抑える免疫細胞（制御性T細胞）を増やしたり、抗がん作用や免疫機能の向上と関係していることが報告されています。
乳糖がビフィズス菌や乳酸菌などの善玉菌の栄養となることで、それらの菌が産生する乳酸や酢酸が悪玉菌の繁殖を抑え、腸内環境が整えられます。また、短鎖脂肪酸は大腸内のpHを下げることから、小腸で吸収できなかった分のカルシウムやマグネシウム、鉄の大腸での吸収を助ける働きもあります。

牛乳を飲むとおなかにガスがたまる、ゴロゴロする、下痢をするなどの不快症状が現れるのを「乳糖不耐症」と呼んでいます。
乳糖不耐症は、牛乳中の糖質である乳糖を消化する酵素（乳糖分解酵素＝ラクターゼ＝β-ガラクトシダーゼ）が少ないか、働きが弱いため、乳糖が消化・吸収されないまま過剰に大腸に送り込まれることから起こりますが、病気ではありません。
エネルギー源として役立つ乳糖が利用されないまま過剰に大腸に運ばれると、腸内細菌が乳糖を分解してガスや酸を産生し、腸を圧迫したり、多量の水分が一気に大腸に送られ下痢をします。下痢をしてもカルシウムなどの栄養素は、その前に小腸できちんと吸収されています。
乳幼児期は乳糖分解酵素の働きが活発なのですが、大人になるにつれて弱くなる人がいます。
この傾向は特に有色人種に多く見られ、日本人の70％以上にこの症状があるといわれています。大人になってこの酵素の働きが弱まるのは決して病気ではなく、哺乳動物としてはごく自然な状態なので心配はいりません。

牛乳を飲むとおなかの調子が悪くなる人は、温めて飲む、コーヒーやココアと混ぜて飲むなどの工夫をしていることが多いようです［図2-20］。
人肌くらいに温めてゆっくり飲むと、胃腸に冷たい刺激を与えずにすみ、乳糖の分解酵素の働きも盛んになります。乳糖不耐症を改善するには、摂取量を少量ずつから始めて徐々に量を増やす、1日何回かに分けて飲む、コーヒーや紅茶などに混ぜて飲むなどの工夫が勧められます。
乳糖をあらかじめぶどう糖とガラクトースに分解してある乳飲料（乳糖分解乳、ラクターゼミルク）も市販されています。また、ヨーグルト製造に使用されている乳酸菌は菌体内にラクターゼを産生しますので、生菌タイプのヨーグルト中にはラクターゼ活性が残っており、乳糖の分解が進みます。その結果、ヨーグルトは乳酸菌による発酵によって乳糖の20～40％が分解されて減少しています。チーズは製造過程で乳糖の大部分がホエイ（乳清）に移行して取り除かれているので、乳糖不耐症で下痢をしてしまうような人にも勧められます。