Il topiramato ha un complesso meccanismo d'azione. Il farmaco incentiva i canali per il cloro attivati dal GABA. Inoltre inibisce la trasmissione neuroeccitatoria, attraverso l'azione sui recettori kainato e AMPA, ma non sui recettori NDMA. Vi sono prove sperimentali che il topiramato ha uno specifico effetto sul recettore (GluR5) per la chinasi GluK1. Inoltre è anche un inibitore della anidrasi carbonica, particolarmente sottotipi II e IV, ma questa azione è debole e non sembra correlata con il suo effetto anticonvulsivo.