I barbiturici sono GABA-agonisti e interagiscono specificamente con la sottoclasse recettoriale GABA-A aumentando la conduttanza agli ioni cloruro Cl-. L'aumento del passaggio di questi anioni provoca un'iperpolarizzazione post-sinaptica che si traduce nella depressione dell'attività neuronale e nella comparsa di diversi sintomi tra i quali eccessiva sonnolenza diurna. Il GABA è il principale neurotrasmettitore inibitorio nel sistema nervoso centrale dei mammiferi, i barbiturici si legano al recettore GABAA, come le benzodiazepine, i barbiturici potenziano l'effetto del GABA su questo recettore, quindi sono modulatori allosterici postivi. Oltre all'effetto GABAergico, i barbiturici bloccano anche i recettori AMPA e kainato, sottotipi del recettore ionotropico del glutammato. Il glutammato è il principale neurotrasmettitore eccitatorio nel sistema nervoso centrale dei mammiferi. Nel loro insieme, l'effetto potenziante sui recettori GABAA e inibitore sui recettori AMPA eccitatori spiegano gli effetti deprimenti sul SNC superiori rispetto a benzodiazepine e chinazolinoni.