Agisce sui recettori delle sinapsi pregangliari sia del sistema nervoso parasimpatico sia del sistema nervoso simpatico, entrambi presentanti recettori ionotropici per l'acetilcolina. A livello postgangliare invece, l'esametonio non ha alcun effetto in quanto il neurotrasmettitore per il sistema simpatico è la noradrenalina mentre per il parasimpatico è sempre l'acetilcolina, ma con recettori di tipo muscarinico.