La sua azione diminuisce le IgE plasmatiche a livelli non rilevabili e riduce significativamente la risposta broncospastica dovuta alla stimolazione antigenica. Oltre a neutralizzare le IgE libere, l'omalizumab provoca down-regulation FcεR1 sulla superficie dei mastociti, riducendo il numero delle IgE legate ad essi. Inoltre, blocca anche il legame delle IgE al recettore a bassa affinità per le IgE (FcεR2) presente su linfociti B e T, macrofagi ed eosinofili, inibendo l'attivazione di queste cellule da parte degli allergeni e, di conseguenza, l'infiammazione cronica. A differenza dei tradizionali farmaci anti-IgE, omalizumab non interagisce con le IgE già legate ai mastociti e ai basofili. La somministrazione ripetuta diminuisce l'infiammazione bronchiale e la gravità dell'asma, migliora i sintomi nasali e congiuntivali e riduce la richiesta di glucocorticoidi in pazienti con asma.