O princípio de ação do fenobarbital está relacionado com a sua ativação dos receptores do ácido gama-aminobutírico (GABA). Os efeitos sedativos, hipnóticos e anticonvulsivos dos barbitúricos estão relacionados com a ativação dos receptores GABA e, na ausência de GABA, os barbitúricos podem imitar os efeitos do GABA, aumentar a permeabilidade dos iões cloreto (principalmente através do prolongamento do tempo de abertura dos canais de iões cloreto) e hiperpolarizar a membrana celular. Experiências electrofisiológicas in vitro revelaram que o fenobarbital pode abrir o canal de cloreto das células nervosas, hiperpolarizar as células, com efeito de simulação do GABA; a concentração terapêutica de fenobarbital pode aumentar o efeito inibitório do GABA, inibir a transmissão monossináptica e polissináptica do sistema nervoso central, inibir as descargas de alta frequência dos focos epilépticos e a sua difusão para a periferia. Os efeitos farmacológicos do fenobarbital, relacionados com a sua dosagem, com o aumento da dosagem do fármaco, o doente pode sentir sedação, hipnose, anticonvulsivante, e até inibição da inibição do centro respiratório medular, levando a insuficiência respiratória, inibição do centro vasomotor, de modo que a vasodilatação periférica, a ocorrência de choque. Após a utilização do medicamento podem aparecer tonturas, sonolência e outros efeitos secundários, o uso prolongado pode produzir dependência e tolerância, a aplicação repetida deve ser vigilante contra a acumulação de toxicidade. Pode ocorrer um pequeno número de reacções alérgicas, como erupções cutâneas e dermatite esfoliativa. O medicamento deve ser utilizado sob a orientação de um médico e não deve ser utilizado às cegas, por si só, para evitar reacções adversas.