Il Butorfanolo ha attività di parziale agonista e antagonista per i recettori μ degli oppioidi e presenta, invece, attività di agonista parziale sui recettori κ (Ki = 2,5 nM; EC50 = 57 nM; Emax = 57%). La stimolazione di questi recettori sui neuroni del sistema nervoso centrale provoca un'inibizione intracellulare dell'enzima adenilatociclasi, con successiva chiusura dei canali del calcio e l'apertura dei canali del potassio della membrana. Questo porta a iperpolarizzazione della membrana cellulare e alla soppressione della trasmissione del potenziale d'azione delle vie ascendenti del dolore. A causa della sua attività di κ-agonista, se usato come analgesico, il Butorfanolo fa aumentare la pressione arteriosa polmonare e il lavoro cardiaco. Infine può anche causare disforia alle dosi terapeutiche o se queste vengono superate. Tutto ciò fa del Butorfanolo una molecola spesso poco maneggevole rispetto agli altri farmaci oppioidi.