การทำงานของกาเฟอีนเกิดจากทั้งการลดฤทธิ์ยับยั้งของ adenosine (โดยเป็น antagonist ต่อหน่วยรับความรู้สึก A1)และการจำกัดการทำงานทางประสาท (โดยขัดขวางฤทธิ์ยับยั้งของหน่วยรับความรู้สึก A2A ซึ่งมีผลเป็นการลดระดับการทำงานของนิวรอนในวิถีประสาท striato-Gpe)[1] มีหน่วยรับความรู้สึกของ adenosine อย่างน้อย 4 อย่าง และประเภท A1 และ A2A เป็นประเภทที่โดยทฤษฎีแล้ว กาเฟอีนเป็นตัวปฏิปักษ์ (antagonist). หน่วยรับความรู้สึกของ Adenosine A1 อยู่ที่เซลล์ก่อนไซแนปส์ (presynaptic) มีอยู่ในหลายเขตของสมอง รวมทั้งเปลือกสมองและฮิปโปแคมปัสเมื่อรับสาร adenosine หน่วยรับความรู้สึกจะมีผลเป็นการยับยั้งการปล่อยสารสื่อประสาทโดพามีน กลูตาเมต และ acetylcholine[1] (ดังนั้น กาเฟอีนซึ่งเป็น antagonist ต่อหน่วยรับความรู้สึก จึงมีผลทำให้ไม่เกิดการยับยั้งสารสื่อประสาท)นอกจากนั้นแล้ว กาเฟอีนยังเป็นปฏิปักษ์ต่อสาร benzodiazepines อีกด้วย แม้ว่าจะอ่อนกว่าต่อ adenosineคือ กาเฟอีนสามารถเข้าไปรบกวนฤทธิ์ของ benzodiazepines ที่บริโภคในเวลาเดียวกัน[2]

ช่วงเวลาครึ่งชีวิต (half life) ของกาเฟอีนในผู้ใหญ่อยู่ที่ประมาณ 3.5-6 ช.ม. และต่างกันไปตามวัยการตั้งครรภ์มีผลต่อช่วงเวลาครึ่งชีวิต คือในช่วงที่สุดแห่งการตั้งครรภ์ จะยาวนานถึง 10 ช.ม.นอกจากนั้นแล้ว ช่วงเวลาครึ่งชีวิตในทารกในครรภ์ยังยาวนานกว่าปกติอีกด้วย เพราะว่า ทารกไม่มีเอนไซม์ในตับประเภท CYP1A2 และ CYP1A1 ที่ทำการย่อยสลายกาเฟอีน[3]