A basse dosi, l'antidoto possiede un effetto anticolinergico atropino-simile, mentre a dosi elevate può inibire l'attività della acetilcolinesterasi e comportarsi da blando colinergico. I diversi effetti possono essere spiegati dal cambiamento dell'equilibrio tra acetilcolinesterasi inibita e acetilcolina aumentata, oppure da una possibile depolarizzazione dei siti post-sinaptici indotta dallo stesso obidoxima. Nel sistema nervoso periferico l'obidoxima esercita un'inibizione curaro-simile e una protezione dei recettori nicotinici e, quando somministrato in combinazione con atropina, un effetto sinergico sulla normalizzazione della pressione arteriosa.