Levorphanol působí převážně jako agonista μ-opioidního receptoru (MOR), ale je také agonistou δ-opioidního receptoru (DOR), κ-opioidního receptoru (KOR) a nociceptinového receptoru (NOP), jakož i antagonistou NMDA receptoru a inhibitorem zpětného vychytávání serotoninu a noradrenalinu (SNRI). Levorphanol, podobně jako některé jiné opioidy, působí ve velmi vysokých koncentracích také jako antagonista glycinových receptorů a antagonista GABA receptorů. Levorphanol je na MOR 6 až 8krát účinnější než morfin.

Oproti morfinu postrádá levorphanol úplnou zkříženou toleranci a má větší vnitřní aktivitu na MOR. Doba působení je ve srovnání s jinými srovnatelnými analgetiky obecně dlouhá a pohybuje se od 4 hodin až do 15 hodin. Z tohoto důvodu je levorphanol užitečný při paliaci chronické bolesti a podobných stavů. Levorphanol má poměr perorální a parenterální účinnosti 2:1, což je jeden z nejpříznivějších poměrů mezi silnými narkotiky. Jeho antagonismus NMDA receptoru, podobný antagonismu fenylheptylaminových opioidů s otevřeným řetězcem, jako je metadon nebo fenylpiperidinový ketobemidon, činí levorfanol užitečným u typů bolesti, proti kterým jiná analgetika nemusí být tak účinná, jako je neuropatická bolest. Mimořádně vysoká analgetická účinnost levorphanolu při léčbě neuropatické bolesti je dána také jeho působením na serotoninové a noradrenalinové transportéry, podobně jako u opioidů tramadolu a tapentadolu, a vzájemně doplňuje analgetický účinek jeho antagonismu NMDA receptorů.

Levorphanol vykazuje vysokou míru psychotomimetických nežádoucích účinků, jako jsou halucinace a delirium, které byly přisuzovány jeho vazbě na KOR a jeho aktivaci. Zároveň však bylo zjištěno, že aktivace tohoto receptoru i DOR přispívá k jeho analgetickým účinkům

.