Pochodne kwasu barbiturowego, N-metylobarbiturowego i tiobarbiturowego szybko się wchłaniają z błon śluzowych przewodu pokarmowego. Z punktu widzenia neurofizjologicznego mogą one hamować uwalnianie neuroprzekaźników z neuronów, działanie to jest jednak różne w różnych grupach neuronów. Zmniejszają one reakcje receptorowe, szczególnie w odniesieniu do ACh, zjawisko to występuje np. w złączu nerwowo-mięśniowym i w zwój ach-układu autonomicznego. Barbiturany nasilają hamowanie zarówno presynaptyczne, jak i postsynaptyczne wywierane poprzez neurony GABA. Zbliża je to w pewnym stopniu do grupy benzodiazepin. Barbiturany hamują czynność ośrodka oddechowego (szczególnie te, które są stosowane w znieczuleniu ogólnym). Depresyjnie wpływają na czynność serca i obniżają ciśnienie tętnicze. Zmniejszenie objętości wyrzutowej lewej komory i spadek ciśnienia są kompensowane odruchami z baroreceptorów, większe dawki barbituranów mogą jednak upośledzać te reakcje kompensacyjne. Wpływ barbituranów na procesy oksydacyjnej fosforylacji jest jeszcze nie wyjaśniony. Wiadomo, jedynie, że zmniejszają one wychwytywanie przez mitochondria nieorganicznych fosforanów, co może być przyczyną zaburzenia fosforylacji oksydacyjnej.
