An den Magen schließt sich der etwa drei Meter lange Dünndarm an. Den ersten, relativ kurzen Dünndarmabschnitt bezeichnet man als Zwölffingerdarm. Der Name rührt daher, dass seine Länge annährend der von zwölf nebeneinander gelegten Fingern entspricht. Die zahlreichen Dünndarmschlingen sind mit einer dünnen Bindegewebsbrücke im Bauchraum befestigt. In dieser verlaufen Nerven sowie Blut- und Lymphgefäße. Auch im Dünndarm wird der Speisebrei durch peristaltische Bewegungen weitertransportiert. Diese werden durch die Nahrung selbst, insbesondere durch die in ihr enthaltenen Ballaststoffe, ausgelöst.

Wäre unser Dünndarm nur ein einfaches Rohr, so könnte nur ein kleiner Teil der mit der Nahrung zugeführten Nährstoffe aufgeschlossen und aufgenommen werden, da die zur Verfügung stehende Schleimhautfläche nicht groß genug wäre. Durch die Faltenbildung und den Besatz der Falten mit kleinen Zotten von 0,5-1,5mm Länge kann die innere Oberfläche des Dünndarms um ein Vielfaches vergrößert werden: Sie entspricht bei einem Erwachsenen insgesamt etwa der Größe eines Tennisplatzes.

In den Zwölffingerdarm münden die Ausführgänge der Leber (Gallengang) und der Bauchspeicheldrüse. Ihre Sekrete -Galle und Bauchspeichel- sind unverzichtbar für die Im Dünndarm ablaufenden Verdauungsvorgänge.

Die Galle trägt dazu bei, dass der aus dem Magen kommende Speisebrei neutralisiert wird, d. h. nicht mehr sauer reagiert. Sie enthält neben Schleim Wasser und Gallenfarbstoffen auch Salze der Gallensäuren. Diese wirken antibakteriell.

Fette sind in Wasser unlöslich. Damit sie verdaut werden können, werden sie durch die Galle in kleine Tröpfchen "zerlegt". Die Oberfläche der Fette wird auf diese Weise stark vergrößert. Fett spaltende Enzyme (Lipasen), die mit dem Bauchspeichel in den Darm abgegeben werden, können dadurch besser angreifen. Sie zerlegen Fette in ihre Bausteine: Glycerin und Fettsäuren. Kurzkettige Fettsäuren sind im Unterschied zu den Ausgangsmolekülen wasserlöslich und gelangen durch die Darmschleimhaut direkt ins Blut. Längerkettige Fettsäuren und Glycerin werden in unteren Dünndarmabschnitten unter Mitwirkung von Gallensäuren von den Schleimhautzellen aufgenommen. Bereits hier werden sie umgebaut und zunächst über Lymphgefäße, dann über das Blutgefäßsystem zum Fettgewebe transportiert. Die Aufnahme von Nährstoff-Bausteinen in Blut und Lymphe bezeichnet man als Resorption (lat. resorbere = aufsaugen).
Neben den Lipasen enthält der Bauchspeichel auch Kohlenhydrat abbauende Enzyme sowie Vorstufen von Eiweiß spaltenden Enzymen. Von großer Bedeutung ist auch das in ihm enthaltene Natriumhydrogencarbonat, das wesentlich an der Neutralisation des sauren Speisebreis beteiligt ist. Dies ist notwendig, da die Verdauungsenzyme im Darm ihre Aufgabe in saurer Umgebung nicht erfüllen können. Vorstufen der Eiweiß spaltenden Enzyme werden im Darm zu funktionstüchtigen Molekülen aktiviert. Diese setzen im Magen begonnene Eiweißverdauung fort: Die Proteinbruchstücke werden in einzelne Aminosäuren zerlegt, die durch die Darmschleimhaut in das Blutgefäßsystem gelangen. Über die Pfortader werden die Eiweißbausteine zur Leber transportiert.
Auch der Dünndarm selbst produziert Verdauungsflüssigkeit, immerhin etwa drei Liter am Tag. Sie wird in Drüsen der Schleimschleimhaut gebildet und enthält Schleimstoffe sowie Eiweiß und Kohlenhydrat spaltende Enzyme. Die Kohlenhydrate werden unter Enzymeinwirkung zu Einfach- und Zweifachzuckern abgebaut. Diese werden von Zellen der Darmschleimhaut aufgenommen, wo die Zweifachzucker noch einmal enzymatisch gespalten werden, bevor die Bausteine ins Blut abgegeben und zur Leber transportiert werden.
Dünndarmschleimhaut erneuert sich innerhalb von drei Tagen. Die zerfallenden Zellen gelangen in das Darmrohr, setzen dort die in ihnen noch enthaltenen Verdauungsenzyme frei und werden anschließend ausgeschieden.