A nicotina exerce seus efeitos potentes ao se ligar e ativar receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs) em membranas pós-sinápticas, principalmente dentro do sistema nervoso central (SNC). Esses receptores são canais iônicos que, quando abertos, permitem a passagem de íons através da membrana do neurônio, causando despolarização e propagação de sinais nervosos.
A ação mais convincente da nicotina ocorre no sistema dopaminérgico mesolímbico do cérebro, frequentemente chamado de via da recompensa. Ao estimular nAChRs neste circuito, a nicotina dispara um surto de liberação de dopamina. Essa inundação do neurotransmissor "bem-estar" cria prazer intenso e reforço poderoso, estabelecendo a base neuroquímica para a dependência e impulsionando o uso contínuo de tabaco apesar das bem conhecidas consequências para a saúde.
A nicotina não para no cérebro. Ela também ativa nAChRs em todo o sistema nervoso periférico e gânglios autonômicos, desencadeando uma cascata de mudanças fisiológicas frequentemente descrita como a resposta "luta ou fuga":