咖啡因一旦进入血液后就开始起作用。在大脑中，它能阻止起镇静作用的化学物质——腺苷的作用，人体自身能产生腺苷，白天时积聚，其浓度越高人就越希望休息。
临睡时，腺苷告诉人体可以休息。这时，脑细胞速度减慢，它“退下战线”一段时间并开始进行自身修复。腺苷同样能扩张大脑内的血管，也许是为了在睡觉期间增加血流。
当咖啡因分子与脑细胞接触时，正好与细胞膜腺苷的位点接触，这样腺苷就不能起作用，因此当你昏昏欲睡时，咖啡因能使你清醒，它使脑血管收缩，心脏也会快递泵血以供需要。
通过阻止腺苷起作用，咖啡因能刺激肾上腺素的生成。人体在受惊或兴奋时产生肾上腺素，它也能增加心率、扩大瞳孔、提高血糖水平，这样人体就能应对外界环境的变化了。
虽然咖啡因能阻止腺苷起作用，但人体还是会继续产生腺苷。因此当咖啡因的浓度下降时，腺苷量会过多。停用咖啡因后，过多的腺苷会使人昏昏欲睡，同时脑血管再次扩张也会使人头痛。此外，血压下降后人会眩晕、呕吐，这时该再喝一杯咖啡了。
