Come tutti gli antidepressivi triciclici, la clomipramina agisce bloccando in modo non selettivo la ricaptazione delle amine (noradrenalina e serotonina) con funzione di neurotrasmettitori a livello delle sinapsi. Il blocco della ricaptazione permette una permanenza più lunga del neurotrasmettitore nel sito recettoriale. La clomipramina ha inoltre effetti anticolinergici, bloccando i recettori muscarinici dell'acetilcolina.