La molecola, un calcio antagonista 1,4 diidropiridinico, differisce dagli altri calcio antagonisti (ad esempio la nifedipina o l'amlodipina) per la sua caratteristica selettività di azione a livello del distretto cerebrale. La sua lipofilia le permette di oltrepassare con grande facilità la barriera ematoencefalica. Legandosi ai canali del Ca++ di tipo L nimodipina blocca l'afflusso transmembrana del catione all'interno della cellula. Il farmaco protegge i neuroni e ne stabilizza le funzioni, in particolare negli stati patologici che si associano ad un aumentato afflusso intracellulare del calcio, come avviene nell'ischemia cerebrale. L'azione protettiva è verosimilmente secondaria sia all'aumentato afflusso sanguineo cerebrale che a un'azione sui recettori neuronali e cerebrovascolari in stretta relazione con i canali del calcio.