Le lévorphanol agit principalement comme un agoniste du récepteur μ-opioïde (MOR), mais est également un agoniste du récepteur δ-opioïde (DOR), du récepteur κ-opioïde (KOR) et du récepteur de la nociceptine (NOP), ainsi qu’un antagoniste du récepteur NMDA et un inhibiteur de la recapture de la sérotonine-norépinéphrine (IRSN). Le lévorphanol, comme certains autres opioïdes, agit également comme un antagoniste des récepteurs de la glycine et des récepteurs GABA à des concentrations très élevées. Le lévorphanol est 6 à 8 fois plus puissant que la morphine au niveau du MOR.

Relativement à la morphine, le lévorphanol n’a pas de tolérance croisée complète et possède une plus grande activité intrinsèque au niveau du MOR. La durée d’action est généralement longue par rapport aux autres analgésiques comparables et varie de 4 heures à 15 heures. C’est pourquoi le lévorphanol est utile dans le traitement palliatif de la douleur chronique et d’autres affections similaires. Le lévorphanol présente un rapport d’efficacité oral/parental de 2:1, l’un des plus favorables parmi les narcotiques forts. Son antagonisme des récepteurs NMDA, similaire à celui des opioïdes à chaîne ouverte de type phénylheptylamine, comme la méthadone ou la phénylpipéridine kétobémidone, rend le lévorphanol utile pour les types de douleur contre lesquels les autres analgésiques ne sont pas aussi efficaces, comme les douleurs neuropathiques. L’efficacité analgésique exceptionnellement élevée du lévorphanol dans le traitement de la douleur neuropathique est également conférée par son action sur les transporteurs de sérotonine et de noradrénaline, similaire à celle des opioïdes tramadol et tapentadol, et complète mutuellement l’effet analgésique de son antagonisme des récepteurs NMDA.

Le lévorphanol présente un taux élevé d’effets secondaires psychotomimétiques tels que des hallucinations et du délire, qui ont été attribués à sa liaison et à l’activation du KOR. En même temps, cependant, l’activation de ce récepteur ainsi que du DOR a été déterminée comme contribuant à ses effets analgésiques.