Барбитураты растворяются в жировых отложениях, следовательно, они могут легко найти свой путь к мозгу путем преодоления гематоэнцефалического (кровь-мозг) барьера. Они также могут накапливаться в потоке крови и попадать в мозг повторно. Скорость, с которой барбитураты выводятся из крови, варьируется среди разных препаратов.

Хотя точный механизм воздействия барбитуратов на мозг, пока неизвестен, предполагается, что эти препараты связываются с натриевыми каналами на нейронах и затрудняют поток ионов натрия. Это приводит к замедлению действия нейронов. Барбитураты также способствуют увеличению потоков ионов хлора через  мембраны нейронов. Ионы хлора связываются с рецепторами нейромедиатора, называемого ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). Увеличение потока ионов хлора снижает активность нейронов.

В итоге, все системы мозга замедляются и человек начинает ощущать эффект расслабленности, усталости и сонливости.