Den eksakte virkningsmekanismen er ikke fullstendig klarlagt, men det er antatt at den antidepressive effekten skyldes hemming av reopptaket av nevrotransmitterne noradrenalin, dopamin og serotonin i nevroner i hjernen. I tillegg virker TCA på en rekke reseptorer i sentralnervesystemet, blant annet histaminreseptorer og muskarinreseptorer. Dette gir en relativt uspesifikk effekt, og selektive serotoninreopptakshemmere (SSRI) har blitt utviklet som alternativ til TCA for å redusere bivirkningsproblematikk. Når det gjelder den antidepressive effekten er SSRI neppe bedre.