Zaburzenia ekspresji i aktywności eNOS łączą się z takimi jednostkami chorobowymi, jak: miażdżyca, choroba wieńcowa, hipercholesterolemia czy nadciśnienie tętnicze. Po raz pierwszy eNOS została zidentyfikowana w komórkach śródbłonka żył i tętnic; bardziej szczegółowe badania wykazały obecność tego enzymu w miocytach, płytkach krwi, neuronach oraz w komórkach Leydiga i Sertolego. Endotelialna syntaza tlenku azotu gromadzi się w specyficznych miejscach inwaginacji błony komórkowej. Postuluje się, że zagłębienia błony komórkowej stanowią centralne miejsca (tzw. mikrodomeny) w transdukcji sygnałów docierających do komórki z zewnątrz. Endotelialna syntaza tlenku azotu w formie nieaktywnej ściśle oddziałuje z kaweoliną-1, białkiem należącym do stosunkowo dużej rodziny białek transbłonowych. Głównym receptorem dla tlenku azotu, bez względu na źródło i charakter tkanki, w obrębie której powstaje, jest rozpuszczalna cyklaza guanylowa. Wynikiem aktywacji cyklazy jest wzrost poziomu cGMP koniecznego do aktywacji kinazy białkowej G (PKG). Ze względu na niezwykle szeroką gamę substratów PKG, aktywacja eNOS prowadzi do zróżnicowanej odpowiedzi, zależnej od rodzaju komórki. W obrębie śródbłonka, tlenek azotu pełni kluczową rolę w regulacji lokalnego ciśnienia krwi oraz hamuje agregację i adhezję płytek krwi, natomiast w mięśniu sercowym moduluje aktywność skurczową miocytów. Wykazano, że funkcjonalna eNOS jest niezbędna w procesie angiogenezy i przebudowy naczyń krwionośnych. Ze względu na wolnorodnikowy charakter NO, którego nadmierny poziom stanowi niebezpieczeństwo dla otaczających komórek, aktywność eNOS podlega ścisłej i skomplikowanej regulacji. Najbardziej podstawowym elementem tej kontroli jest aktywacja białka uwarunkowana związaniem kompleksu Ca2+/kalmodulina. Dodatkowe elementy regulacji to fosforylacja i depalmitylacja enzymu oraz asocjacja z białkiem szoku termicznego Hsp90. Pomimo uznania eNOS za enzym konstytutywny, na przestrzeni ostatnich kilku lat udowodniono, że ekspresja genu podlega silnym wahaniom w odpowiedzi na czynniki wzrostu, hormony, cytokiny i czynniki fizyczne. Dotychczas przeprowadzone doświadczenia nie pozwalają na sformułowanie ostatecznych wniosków nad proponowaną rolą endotelialnej syntazy tlenku azotu w licznych schorzeniach układu krwionośnego.