Dopo somministrazione per via endovenosa, Sufentanil si distribuisce nei vari tessuti dell'organismo. L'emivita di eliminazione si aggira intorno ai 164 minuti. Il farmaco è metabolizzato principalmente a livello dell'intestino e del fegato. Sufentanil è biotrasformato sostanzialmente per opera del citocromo umano P450 CYP3A4. Approssimativamente l'80% di una singola dose viene escreta entro 24 ore e solo il 2% circa è eliminato in forma immodificata. Il legame di Sufentanil con le proteine plasmatiche è circa del 92,5% (da studi sperimentali varia dal 91% nelle madri, al 79% nei neonati, al 93% nei maschi in buona salute.