कैफीन तत्काल उस रक्त-मस्तिष्क बाधक को पार कर जाता है जो मस्तिष्क के आंतरिक भाग को रक्त प्रवाह से अलग करता है। एक बार मस्तिष्क में पहुंच जाने के बाद, एडेनोसाइन रिसेप्टर के एक गैर-चयनशील प्रतिद्वंद्वी के रूप में इसकी प्रमुख क्रिया शुरू हो जाती है। कैफीन अणु, बनावट में एडेनोसाइन के समान ही होते हैं और उन्हें सक्रिय किये बिना कोशिकाओं की सतह पर एडेनोसाइन रिसेप्टरों को बांध देते हैं (एक "प्रतिद्वंद्वी" क्रिया तंत्र). इसलिए, कैफीन एक प्रतिस्पर्धी प्रावरोधक की तरह काम करता है।

एडेनोसाइन शरीर के हर हिस्से में पाया जाता है, क्योंकि यह मौलिक एटीपी (ATP)-संबंधी ऊर्जा चयापचय में एक भूमिका निभाता है और आरएनए (RNA) संश्लेषण के लिए जरुरी है, लेकिन मस्तिष्क में इसका विशेष कार्य होता है। इसके कई प्रमाण हैं कि एनोक्सिया और इस्चेमिया सहित विभिन्न प्रकार के चयापचय तनाव के द्वारा मस्तिष्क एडेनोसाइन के जमाव में वृद्धि होती है। प्रमाण से यह भी संकेत मिलता है कि तंत्रिका गतिविधि का दमन करके और नाड़ियों की कोमल पेशियों में स्थित A2A और A2B रिसेप्टरों के जरिये रक्त प्रवाह को बढ़ाकर भी मस्तिष्क एडेनोसाइन मस्तिष्क की सुरक्षा का काम करता है। एडेनोसाइन का प्रतिकार करके, कैफीन स्थिर प्रमस्तिष्कीय रक्त प्रवाह को 22% से 30% तक कम करता है। तंत्रिका गतिविधि पर कैफीन का आम तौर पर एक गैर-दमनकारी प्रभाव भी पड़ता है। लेकिन यह नहीं सिद्ध नहीं हुआ है कि इन प्रभावों की वजह से किस तरह जागरण और सतर्कता में वृद्धि होती है।

एडेनोसाइन एक जटिल तंत्र के माध्यम से मस्तिष्क में मुक्त होता है। इस बात का प्रमाण है कि कुछ मामलों में एडेनोसाइन एक चेतोपागामीय विमोचित न्यूरोट्रांसमीटर के रूप में काम करता है, मगर तनाव-संबंधी एडेनोसाइन की वृद्धि मुख्य रूप से एटीपी (ATP) के बाह्य-कोशिकीय चयापचय द्वारा उत्पादित लगती है। ऐसा नहीं लगता कि एडेनोसाइन किसी भी तंत्रिका समूह के लिए प्राथमिक न्यूरोट्रांसमीटर है, बल्कि इसके बजाय यह अनेक प्रकार की तंत्रिकाओं द्वारा अन्य ट्रांसमीटरों के साथ एक साथ मुक्त होता है। अधिकांश न्यूरोट्रांसमीटर के विपरीत, एडेनोसाइन पुटिकाओं (vesicles) में पैक हुए प्रतीत नहीं होते जो कि वोल्टेज-नियंत्रित तरीके से मुक्त होते हैं, लेकिन इस तरह की प्रणाली की संभावना को पूरी तरह से खारिज नहीं किया जा सकता.

अलग संरचनात्मक (एनाटोमिकल) वितरण के साथ एडेनोसाइन रिसेप्टरों के अनेक वर्गों का वर्णन किया गया है। A रिसेप्टर व्यापक रूप से वितरित हैं और कैल्शियम ग्रहण की कार्रवाई को रोकने का काम करते हैं। A रिसेप्टर का आधारीय गैंग्लिया में भारी जमाव होता है, यह एक ऐसा क्षेत्र है जो व्यवहार नियंत्रण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, लेकिन मस्तिष्क के अन्य भागों में भी पाया जा सकता है और वो भी कम घनत्व में. इसके प्रमाण हैं कि A रिसेप्टर डोपेमाइन प्रणाली के साथ क्रिया (इंटरएक्ट) करते हैं, जो कि प्रतिफल और जागरण में शामिल है। A रिसेप्टरों को धमनीय दीवारों और रक्त कोशिका झिल्लियों में भी पाया जा सकता है।)

इसके सामान्य न्यूरोप्रोटेक्टिव प्रभाव के अलावा, यह विश्वास करने के कारण हैं कि एडेनेसाइन को अधिक विशिष्ट रूप से सोने-जगने के चक्र को नियंत्रित करने में शामिल किया जा सकता है। रॉबर्ट मैककार्ली और उनके सहयोगियों का कहना है कि एडेनोसाइन के जमाव का प्राथमिक कारण लंबी मानसिक गतिविधि के बाद उनींदापन का संवेदन हो सकता है और यह कि A रिसेप्टरों के मार्फ़त जागरण-प्रोत्साही तंत्रिकाओं का प्रावरोधन और A रिसेप्टरों पर परोक्ष प्रभावों के मार्फ़त नींद-प्रोत्साही तंत्रिकाओं के सक्रियण के द्वारा ये प्रभाव संभवतः मध्यस्थता करते हों. हाल के अध्ययनों ने A के महत्व के लिए, न कि A रिसेप्टरों के लिए, अतिरिक्त सबूत प्रदान किया है।

कैफीन के कुछ गौण प्रभाव शायद एडेनोसाइन से असंबंधित कार्यों के कारण होते हैं। अन्य मिथाइलेटेड क्सानथाइन्स (methylated xanthines) की तरह, कैफीन
फोस्फोडाईस्टेरेज प्रावरोधक सीएएमपी (cAMP)-फोस्फोडाईस्टेरेज (सीएएमपी-पीडीई (cAMP-PDE)) एंजाइमों का प्रावरोध करते हैं, जो कोशिकाओं में चक्रीय एएमपी (AMP) (सीएएमपी) को गैर-चक्रीय रूप में बदल देता है, इस तरह कोशिकाओं में सीएएमपी को वृद्धि का अवसर देता है। ग्लूकोज संश्लेषण में इस्तेमाल हुए विशिष्ट एंजाइमों के फोस्फोराइलेशन को शुरू करने के लिए चक्रीय एएमपी (AMP) प्रोटीन किनासे A (पीकेए (PKA)) के सक्रियण में भाग लेता है। इसके निष्कासन को अवरुद्ध करके कैफीन एपिनेफ्राइन और एम्फेटामाइन, मिथामफेटामाइन और मिथाइलफेनाडेट जैसी एपिनेफ्राइन-किस्म की दवाओं के प्रभाव को तेज तथा दीर्घ करती है। पार्श्विक कोशिकाओं में सीएएमपी (cAMP) के जमाव में वृद्धि से प्रोटीन किनासे A (पीकेए (PKA)) के सक्रियण में वृद्धि होती है, जो बदले में H+/K+ ATPase के सक्रियण में वृद्धि करता है, परिणामस्वरूप अंततः कोशिका द्वारा गैस्ट्रिक एसिड स्राव में वृद्धि होती है। चक्रीय एएमपी (AMP) विचित्र प्रवाह की गतिविधि में भी वृद्धि करता है, जिससे ह्रदय गति सीधे बढ़ जाती है। कैफीन संरचनात्मक रूप से कुचला सत् (strychnine) के सदृश भी है और, इसकी तरह (हालांकि बहुत कम शक्तिशाली), आइनोट्रोपिक ग्लिसाइन रिसेप्टरों का एक प्रतिस्पर्धी शत्रु है।

कैफीन के चयापचयों का भी कैफीन के प्रभाव में योगदान होता है। वसाप्रजनन प्रक्रिया में वृद्धि के लिए पाराक्सान्थाइन (Paraxanthine) जिम्मेदार है, जो पेशियों द्वारा इंधन के स्रोत के रूप में इस्तेमाल करने के लिए खून में ग्लिसरोल और फैटी एसिड छोड़ता है। थियोब्रोमाइन एक वाहिकाविस्‍फारक (vasodilator) है, जो मस्तिष्क और मांसपेशियों में ऑक्सीजन और पोषक तत्व प्रवाह की मात्रा को बढ़ाता है। थियोफिलाइन (Theophylline) कोमल पेशियों को आराम देने का काम करता है, जो मुख्य रूप से श्वासनलिकाओं को प्रभावित करता है और जो एक क्रोनोट्रोप (chronotrope) व इनोट्रोप (inotrope) के रूप में काम करके ह्रदय गति और उसकी क्षमता को बढ़ाता है।

कार्य करने की प्रक्रिया
जैविक तरल पदार्थों में इसका पता लगाना
संश्लेषण और गुण
हृदय पर प्रभाव