Benché non abbiano specifica azione adrenergica anche i derivati xantinici sono usati come broncodilatatori. La teofillina e i suoi sali (con etilendiamina, con la colina, ecc.) sono la xantina più usata. Il suo meccanismo d'azione è duplice: funge da antagonista del recettore dell'adenosina, che a livello polmonare possiede attività bronco-costrittiva. Alle dosi più elevate, essa inibisce anche la fosfodiesterasi dell'AMP ciclico (cAMP) o PDE4. L'elevazione delle concentrazioni intracellulari di questo mediatore, porterebbero alla fosforilazione di proteine dello scheletro di actina delle cellule. La compromessa interazione dell'actina con gli ioni Ca2+ farebbe rilasciare la muscolatura liscia bronchiale.