Il tiiopental attraversa rapidamente e facilmente la barriera ematoencefalica perché è una molecola lipofila. Come tutti i farmaci anestetici liposolubili, la sua breve durata d'azione è dovuta alla ridistribuzione dalla circolazione centrale verso i muscoli e il tessuto adiposo. Il suo coefficiente di ripartizione (circa 10), lo porta a depositarsi nel tessuto adiposo. Una volta ridistribuita, la frazione libera nel sangue viene metabolizzata nel fegato. Il tiopental è metabolizzato in acido pentobarbitale, 5-etil-5- (1'-metil-3'-idrossibutil) -2-tiobarbiturico e 5-etil-5- (1'-metil-3'- acido carbossipropil) -2-tiobarbiturico.