Das Citrullin ist eine nicht essentielle Aminosäure, die der Organismus aus anderen Nährstoffen, wenn die Bedingungen vorliegen, produziert wird. Das Citrullin spielt, zusammen mit dem Ornithin und dem Arginin, eine besonders wichtige Rolle in der Leber, in dem sogenannten Harnstoffzyklus. Im Laufe dieses Zyklus wird das toxische Ion Ammonium in Harnstoff umgewandelt. Eine Störung dieses Zyklus, der für die Ausscheidung von toxischen Metaboliten aus dem Stickstoff unerlässlich ist, kann zur Folge die tötliche Anhäufung von Proteinen, wie dem Ammoniak, im Blutkreislauf haben. Eine Supplementation mit Citrullin oder mit Arginin wird häufig empfohlen, um diese Beschwerden zu behandeln. Das Citrullin ist auch eine Vorstufe des Arginins, das im Rahmen dieses Zyklus produziert wird.

Französische Forscher haben vor kurzem gezeigt, dass das Citrullin positiv den muskulären Proteinstoffwechsel bei alten, unterernährten Ratten moduliert. Vorläufige Ergebnisse suggerieren, dass es direkt die Proteinsynthese stimulieren könnte.