การออกฤทธิ์

เนื่องจากคาเฟอีนเป็นสารในกลุ่มแซนทีนแอลคาลอยด์ที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับแอดิโนซีน (Adenosine) ซึ่งเป็นสารสื่อประสาทชนิดหนึ่งในสมอง โมเลกุลของคาเฟอีนจึงสามารถจับกับตัวรับแอดิโนซีน (adenosine receptor) ในสมองและยับยั้งการทำงานของแอดิโนซีนได้ ผลโดยรวมคือทำให้มีการเพิ่มการทำงานของสารสื่อประสาทโดปามีน (dopamine) ซึ่งทำให้สมองเกิดการตื่นตัว นอกจากนี้พบว่าอาจจะมีการเพิ่มปริมาณของซีโรโทนิน (serotonin) ซึ่งมีผลต่ออารมณ์ของผู้บริโภค ทำให้รู้สึกพึงพอใจและมีความสุขมากขึ้น อย่างไรก็ตาม คาเฟอีนมิได้ลดความต้องการนอนหลับของสมองเพียงแต่ลดความรู้สึกเหนื่อยล้าลงเท่านั้น
อย่างไรก็ดีสมองจะมีการตอบสนองต่อคาเฟอีนโดยการเพิ่มปริมาณของตัวรับแอดิโนซีนทำให้ฤทธิ์ของคาเฟอีนในการบริโภคครั้งต่อไปลดลงเราเรียกภาวะนี้ว่าภาวะทนต่อคาเฟอีน(caffeinetolerance)และทำให้ผู้บริโภคต้องการคาเฟอีนมากขึ้นเพื่อให้เกิดผลต่อร่างกายผลอีกประการที่เกิดจากการที่สมองเพิ่มปริมาณของตัวรับแอดิโนซีนนั่นคือทำให้ร่างกายไวต่อปริมาณแอดิโนซีนที่ผลิตตามปกติมากขึ้น เมื่อหยุดการบริโภคคาเฟอีนในทันที จะทำให้เกิดผลข้างเคียงคืออาการปวดศีรษะและรู้สึกคลื่นไส้อาเจียน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ร่างกายตอบสนองต่อแอดิโนซีนมากเกินไปนั่นเอง
นอกจากนี้ ในผู้ที่หยุดบริโภคคาเฟอีนจะทำให้ปริมาณของโดปามีนและซีโรโทนินลดลงในทันที ส่งผลให้สูญเสียสมาธิและความตั้งใจ รวมทั้งอาจเกิดอาการซึมเศร้าอย่างอ่อนๆได้ อาการดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นประมาณ 12-24 ชั่วโมงหลังจากการหยุดบริโภคคาเฟอีน แต่จะหายไปได้เองภายใน 2-3 วัน อาการของการอดคาเฟอีนดังกล่าวสามารถบรรเทาได้โดยการใช้ยาแอสไพริน หรือการได้รับคาเฟอีนในปริมาณน้อย