Il meccanismo d'azione dei barbiturici non è conosciuto in modo preciso. È probabile che vi sia in gioco un effetto diretto, legato alla spiccata lipofilia di questa classe di farmaci, su una porzione specializzata della membrana neuronale che determina una modifica della trasmissione sinaptica. In genere i barbiturici sono in grado di deprimere la trasmissione sinaptica eccitatoria, sodio-dipendente, mentre sono privi d'azione su quella inibitoria, che pertanto non ne viene influenzata.