Фенобарбітал знижує збудливість нейронів епілептогенного вогнища та перешкоджає виникненню та поширенню імпульсів. Він блокує високочастотні повторні розряди нейронів (внаслідок впливу струм іонів натрію). Барбітурати також підвищують поріг електростимуляції рухових зон кори мозку.
Людина, перебуваючи під впливом фенобарбіталу, почувається повним господарем становища. Це й вирізняє наркотичний «високий кайф» від алкогольного – «бичачого». Фенобарбітал накопичується в печінці і зберігається там тривалий час, тому перевищена доза, «щоб чіпляла», часто призводить до зупинки дихання.
Зазвичай фенобарбітал розглядають як снодійний засіб. Справді, він має виражену снодійну дію і знаходить застосування при розладах сну. Проте в даний час найбільше значення цей препарат має як антиконвульсант.
Снотворний ефект розвивається протягом 0,5-1 год (рідше – пізніше), триває 6 -8 год (до 12 год) і знижується через 2 тижні прийому. Протисудомна дія обумовлена активацією ГАМКергічної системи, впливом на потенціалзалежні натрієві канали, а також придушенням активності глутамату та ін.