Euthanasie is het gevolg van cerebrale dood in combinatie met ademhalingsstilstand en ineenstorting van de bloedsomloop. De cerebrale dood treedt op vóór het stoppen van de hartactiviteit. Bij intraveneuze toediening heeft pentobarbital natrium een snelle verdovende werking. Er is een vlot en snel begin van bewusteloosheid.