אופן הפעולה המולקולרי של קפאין נלמד היטב. לפיכך, ידוע כי החומר נקשר לקולטנים מסוימים (אדנוזין קולטנים) ומעכב אנזים תוך תאי, פוספודיאסטראז. זה מוביל לגירוי של המרכז מערכת העצבים (אפקט אנלפטי) ולהפרשת שתן מוגברת על ידי הגדלת הכליות דם זרימה (אפקט משתן).
על לֵב, קפאין מוביל לעלייה שבץ קצב (כרונוטרופיה חיובית) ולב כוח (אינוטרופיה חיובית). עוד נאמר שיש לעלים השפעות ליפוליטיות, כלומר, להפחתת שומן.
תופעות לוואי של בן זוג
נטילת ריכוזים גבוהים של קפאין עלול לגרום לתופעות לוואי כגון לֵב דפיקות לב, נדודי שינה, וחרדה. נכון לעכשיו, אין ידועים יחסי גומלין עם תרופות אחרות.
