כאשר אדנוזין נקשר לתא עצב הוא מאט את פעילות התא. תהליך זה מתרחש, בין היתר, בזמן שינה. מולקולות הקפאין, הדומות לאדנוזין, נקשרות לאותם קולטנים אך לא גורמות להאטת פעילות התא. במקום זאת הקפאין חוסם את את הקולטנים ומונע את פעילות האדנוזין. כתוצאה מכך הפעילות העצבית המוגברת גורמת לשיחרור ההורמון אפינפרין (אדרנלין), שבתורו גורם למספר תופעות כגון הגברת קצב הלב, עליית לחץ הדם, הגברת זרימת הדם לשרירים, הפחתת זרימת הדם לעור ולאיברים הפנימיים ושחרור גלוקוזה על ידי הכבד.
בנוסף לכך, הקפאין, הדומה לאמפטמין, מעלה את רמת המוליך העצבי דופמין במוח - קפאין ודיאטה.