在大腦中咖啡因可以阻擋腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷與它的接受器結(jié)合后可以減緩神經(jīng)細(xì)胞的活動。一般在睡眠時兩者結(jié)合?？Х纫蚍肿优c腺嘌呤核苷類似，可以與同一種接受器結(jié)合。但它不促使細(xì)胞活動降低，相反地，它阻止腺嘌呤核苷與它的接受器結(jié)合。其結(jié)果是神經(jīng)細(xì)胞活動增高，神經(jīng)細(xì)胞分泌激素腎上腺素。腎上腺素導(dǎo)致心跳加快，血壓增高，肌肉中的血流量提高，皮膚和內(nèi)臟的血流量降低，肝臟向血液釋放葡萄糖。此外咖啡因與氨基丙苯一樣可以提高腦內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺。

與其它刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)的物質(zhì)和酒精不同的是，咖啡因的作用相當(dāng)短。對大多數(shù)人來說，咖啡因不影響他們的注意力和其他高級智力功能，因此含咖啡因的飲料往往在工作場所飲用。

長時間飲用咖啡因可以導(dǎo)致身體對咖啡因的習(xí)慣化。假如這時中斷使用咖啡因，身體會對腺嘌呤核苷過分靈敏，血壓會過度降低，導(dǎo)致頭疼和其它癥狀。最近的一些研究似乎說明飲用咖啡因可以減低獲得帕金遜癥的危險，但這個研究的結(jié)論還有待證實。

太多咖啡因可以導(dǎo)致咖啡因中毒。其癥狀是煩躁，緊張，刺激感，失眠，面紅，多尿和消化道不適。有些人在每日服用250毫克以下時就會有這些癥狀。每天多于1克可以導(dǎo)致痙攣，思想和語言突然轉(zhuǎn)換，心跳不穩(wěn)，心動過速和精神運動性激越?？Х纫蛑卸镜陌Y狀有點類似恐慌癥和全面化焦慮癥。 192毫克/體重千克 ，或?qū)ζ胀ǔ赡耆藖碚f， 72杯咖啡可能可以導(dǎo)致半數(shù)人死亡。 [來源請求]目前沒有明確證據(jù)指咖啡因與骨質(zhì)流失及骨質(zhì)疏松癥有相關(guān)性。在一項與可樂有關(guān)而不包括其他碳酸飲料的研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)咖啡因并不是導(dǎo)致骨質(zhì)流失的原因，相反當(dāng)中磷酸的分量與年長女性出現(xiàn)骨質(zhì)疏松有較直接的關(guān)系。