El levorfanol actúa predominantemente como agonista del receptor μ-opioide (MOR), pero también es agonista del receptor δ-opioide (DOR), del receptor κ-opioide (KOR) y del receptor de nociceptina (NOP), así como antagonista del receptor NMDA e inhibidor de la recaptación de serotonina-norepinefrina (IRSN). El levorfanol, al igual que otros opioides, también actúa como antagonista del receptor de la glicina y del receptor GABA en concentraciones muy elevadas. El levorfanol es de 6 a 8 veces más potente que la morfina en el MOR.

Respecto a la morfina, el levorfanol carece de tolerancia cruzada completa y posee una mayor actividad intrínseca en el MOR. La duración de la acción es generalmente larga en comparación con otros analgésicos comparables y varía entre 4 horas y hasta 15 horas. Por este motivo, el levorfanol es útil en la paliación del dolor crónico y otras afecciones similares. El levorfanol tiene una relación de eficacia oral a parenteral de 2:1, una de las más favorables de los narcóticos fuertes. Su antagonismo del receptor NMDA, similar al de los opioides de cadena abierta de fenilheptilamina, como la metadona o la fenilpiperidina ketobemidona, hace que el levorfanol sea útil para tipos de dolor contra los que otros analgésicos pueden no ser tan eficaces, como el dolor neuropático. La eficacia analgésica excepcionalmente elevada del levorfanol en el tratamiento del dolor neuropático se debe también a su acción sobre los transportadores de serotonina y norepinefrina, similar a la de los opioides tramadol y tapentadol, y complementa mutuamente el efecto analgésico de su antagonismo del receptor NMDA.

El levorfanol presenta una elevada tasa de efectos secundarios psicotomiméticos, como alucinaciones y delirios, que se han atribuido a su unión y activación del KOR. Al mismo tiempo, sin embargo, se ha determinado que la activación de este receptor, así como del DOR, contribuye a sus efectos analgésicos.