ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุดและน่าจะเป็นที่ยอมรับกันมากที่สุดเกี่ยวกับฤทธิ์ของยาแก้ซึมเศร้าก็คือ สมมติฐานโมโนอะมีน (monoamine hypothesis) ซึ่งมีประวัติเริ่มตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1950 และกล่าวว่า ความซึมเศร้าเกิดจากความขาดดุล (บ่อยครั้งที่สุดเกิดจากการขาด) ของสารสื่อประสาทแบบโมโนอะมีน ซึ่งก็คือ เซโรโทนิน นอร์เอพิเนฟริน และโดพามีน[50] เป็นทฤษฎีที่เสนออาศัยสังเกตการณ์ว่า ยาต้านวัณโรคประเภท hydrazine มีผลแก้ซึมเศร้า ซึ่งภายหลังพบว่ามีฤทธิ์ยับยั้ง monoamine oxidase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาการสลายตัวของสารสื่อประสาทโมโนอะมีน[50] ยาแก้ซึมเศร้าที่วางตลาดในปัจจุบันทั้งหมดมีรากฐานในสมมติฐานโมโนอะมีน โดยยกเว้น agomelatine ซึ่งมีผลต่อวิถีประสาททั้งแบบเมลาโทนินและเซโรโทนิน[50] สมมติฐานโมโนอะมีนแม้จะยอมรับกันอย่างกว้างขวางแต่ก็มีข้อจำกัด อย่างแรกก็คือ ยาแก้ซึมเศร้าที่มีผลต่อระบบโมโนอะมีนทั้งหมดออกฤทธิ์ช้าอย่างน้อยก็เป็นอาทิตย์และอย่างที่สองคือ มีคนไข้เป็นจำนวนมาก (>40%) ที่ไม่ตอบสนองในระดับที่ควรต่อยาแก้ซึมเศร้าที่ออกฤทธิ์ต่อระบบโมโนอะมีน[139][140]จึงมีสมมติฐานอื่น ๆ ที่เสนอ รวมทั้งสมมติฐานระบบกลูตาเมต สมมติฐานกำเนิดประสาท สมมติฐานอีพีเจเนติกส์ สมมติฐานคอร์ติซอลหลั่งเกิน สมมติฐานการอักเสบ[139][140][141][142]