Il bretilio esplica i suoi effetti cardiaci soprattutto per attività anti-aritmica diretta dovuta al blocco dei canali del potassio. Tale effetto provoca un aumento della durata del periodo di refrattarietà del potenziale d'azione generato nelle cellule miocardiche, con depressione dell'eccitabilità dei segmenti colpiti da ischemia. Il farmaco è inoltre in grado di interferire con il rilascio di noradrenalina; questa proprietà è stata inizialmente sfruttata per il trattamento dell'ipertensione; tuttavia, a quest'effetto, può conseguire una tachicardia e un effetto inotropo positivo di rimbalzo in grado di far precipitare la condizione ischemica che ha provocato l'aritmia.