神经递质谷氨酸盐在突触的作用，从而降低大脑皮质的兴奋性，抑制网状结构的上行性激活系统，降低神经生理和脑功能的活动，产生全身麻醉作用。但硫喷妥钠镇痛作用很弱，作为肌肉松弛剂亦差。对唿吸中枢的直接抑制作用较明显，抑制程度与用量及注射速度密切相关。该药不刺激唿吸道，但由于提高副交感神经的紧张度，故容易引起咳嗽、喉及支气管痉挛。对心肌和血管运动中枢皆有抑制作用，并能降低周边血管阻力，有明显降低颅内压和眼内压的作用。该药能提高心肌对肾上腺素的敏感性，从而产生心律失常。一剂量的硫喷妥钠（通常4-6毫克/公斤）用于手