Флавоноиды синтезируются метаболическим путем фенилпропаноидов, в котором аминокислота фенилаланин используется для получения 4-кумароил-КоА. Его можно комбинировать с малонил-КоА для получения истинного скелета флавоноидов, группы соединений, называемых халконов, которые содержат два фенильных кольца. Конъюгированное замыкание халконов в виде кольца приводит к знакомой форме флавоноидов, трехкольцевой структуре флавона. Метаболический путь продолжается через серию ферментативных модификаций с образованием флаванонов → дигидрофлавонолов → антоцианов. По этому пути могут образовываться многие продукты, включая флавонолы, флаван-3-олы, проантоцианидины (дубильные вещества) и множество других различных полифенолов.
Флаваноиды могут содержать хиральные атомы углерода. Методы анализа должны учитывать этот элемент, особенно в отношении биоактивности или ферментативной стереоспецифичности.
В биосинтезе флавоноидов участвует несколько ферментов.