Kafein khususnya adalah stimulan sistem saraf pusat dan antagonis reseptor adenosin. Adenosine adalah neurotransmitter yang menyebabkan kantuk dengan memperlambat aktivitas sistem saraf.
Molekul kafein memiliki struktur adenosin yang hampir identik, jadi saat minum kopi atau minuman berkafein lainnya, senyawa tersebut akan mencegat reseptor yang ditujukan untuk adenosin.
Pada dasarnya kafein menipu reseptor adenosin, kemudian melakukan kebalikan dari apa yang dilakukan adenosin. Yakni menyempitkan pembuluh darah di otak, meningkatkan aktivitas sistem saraf dan memberi sinyal pada kelenjar adrenal untuk menghasilkan epinefrin (adrenalin).
Kafein juga meningkatkan pensinyalan dopamin, yang menjadi alasan mengapa kopi di pagi hari dapat memperbaiki suasana hati seseorang.
Semua perubahan fisiologis tersebut menyebabkan kewaspadaan, terkadang juga kegugupan, setelah mengonsumsi secangkir kopi berkafein.