Gli effetti neurologici e psichiatrici riflettono invece le aree del cervello nelle quali sono distribuiti principalmente i recettori dei cannabinoidi, la cui interazione con i principi attivi contenuti nella cannabis vanno a modificare il funzionamento dei sistemi neurotrasmettitoriali legati a questi recettori. I recettori dei cannabinoidi sono abbondanti nei gangli basali, associati col controllo dei movimenti e nel cervelletto, che coordina i movimenti del corpo; nell'ippocampo, associato con le funzioni dell'apprendimento, della memoria e del controllo dello stress; nella corteccia cerebrale, associata alle funzioni cognitive più elevate; nel nucleus accumbens, considerato come il centro del piacere del cervello. Altre aree dove i recettori dei cannabinoidi sono presenti in quantità apprezzabile sono l'ipotalamo, che regola tra l'altro la sensazione di sazietà; l'amigdala, associata con le emozioni e le paure; il midollo spinale, associato con le sensazioni periferiche come il dolore; il tronco encefalico, associato con il sonno, l'eccitazione sessuale e il controllo motorio; infine il nucleo del tratto solitario, associato con sensazioni viscerali come la nausea e lo stimolo a vomitare.