Diazepam si lega a una subunità specifica sul recettore GABA A in un sito distinto dal sito di legame della molecola endogena GABA, noto come sito allosterico. Il GABA A recettore è un canale inibitorio che, quando attivato, diminuisce l'attività neuronale. Le benzodiazepine non sono supplementari per il neurotrasmettitore GABA, le benzodiazepine si legano piuttosto come diazepam in una posizione diversa sul GABA A recettore, con conseguente incremento degli effetti del GABA. Le benzodiazepine provocano un'apertura maggiore del canale quando lo ione cloruro si lega al suo sito sul GABA A recettore, portando a un incremento dell'entrata di ioni cloruro nel neurone. Il diazepam lega non selettivamente le subunità alfa1, alfa2, alfa3 e alfa5 contenenti GABA A recettori.