Кофеїн блокує рецептори аденозину в головному мозку та інших органах, не дозволяючи цій речовині з ними зв'язуватися. Таким чином, він пригнічує розслаблення, підвищує увагу та швидкість реакції.
Кофеїн «вбиваєвітамін В, знижує вміст в організмі заліза, калію, цинку, кальцію. А одна чашка в 150 мл гальмує засвоєння кальцію на три години. Більш того, кофеїн вимиває з організму кальцій, і в результаті зловживання кавою кістки стають крихкими.
У нейрохімічному механізмі стимулюючого дії кофеїну важливу роль відіграє його здатність зв'язуватися зі специфічними пуриновими, або аденозиновими рецепторами мозку, ендогенним агоністом для яких є пуриновий нуклеозид – аденозин. Структурна подібність молекули кофеїну та аденозину сприяє цьому.
У дорослих кофеїн виводиться з організму в середньому за 5-6 годин, але іноді може сягати і 10 годин. У новонароджених (до 1 року) – 65-130 годин. Виводиться кофеїн та його продукти метаболізму через нирки.