ในด้านเภสัชจลนศาสตร์ นิโคตินสามารถแพร่เข้าสู่กระแสเลือดได้อย่างรวดเร็ว และยังสามารถแพร่ผ่านโครงสร้างกั้นระหว่างเลือดและสมอง (blood-brain barrier)ได้อีกด้วย ซึ่งโดยเฉลี่ย นิโคตินจะใช้เวลาประมาณ 7 วินาทีในการเข้าสู่สมอง ในขณะที่ครึ่งชีวิตของนิโคตินในร่างกายมนุษย์อยู่ที่ประมาณ 2 ชั่วโมง [1] ปริมาณของนิโคตินที่จะเข้าสู่ร่างกายโดยการสูบบุหรี่จะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ อาทิ ชนิดของยาสูบ ชนิดของไส้กรอง ปริมาณของควันบุหรี่ที่สูดเข้าไป

ในด้านการออกฤทธิ์ นิโคตินจะออกฤทธิ์ผ่านทางตัวรับแอเซทิลโคลีนแบบนิโคตินิก (Nicotinic acetylcholine receptors)ซึ่งผลของการจับกันระหว่างนิโคตินในปริมาณน้อยกับตัวรับนี้จะทำให้มีการหลั่งของฮอร์โมนอะดรีนาลีน (Adrenaline) เพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้มีการเพิ่มอัตราการเต้นของหัวใจ ความดันโลหิต และอัตราการหายใจ รวมทั้งเพิ่มปริมาณของน้ำตาลกลูโคสในกระแสเลือดด้วย แต่หากได้รับนิโคตินในปริมาณมาก จะทำให้เกิดการระงับการทำงานของตัวรับแอเซทิลโคลีนดังกล่าว และทำให้เกิดอาการพิษจากนิโคตินได้

ผลกระทบที่เด่นชัดอย่างหนึ่งของนิโคตินคืออาการเสพติด ซึ่งงานวิจัยพบว่าเกิดจากการที่นิโคตินไปกระตุ้นวงจรประสาทที่เกี่ยวข้องกับความรู้สึกพึงพอใจ [2] ซึ่งคาดว่าจะเกี่ยวข้องกับผลของนิโคตินต่อการเพิ่มขึ้นของสารสื่อประสาทโดปามีน (Dopamine) ซึ่งเกี่ยวข้องกับวงจรประสาทดังกล่าว