Levorphanol agisce prevalentemente come agonista del recettore μ-opioide (MOR), ma è anche un agonista del recettore δ-opioide (DOR), del recettore κ-opioide (KOR), e del recettore della nociceptina (NOP), così come un antagonista del recettore NMDA e un inibitore del reuptake della serotonina-norepinefrina (SNRI). Il levorfanolo, analogamente a certi altri oppioidi, agisce anche come antagonista dei recettori della glicina e del GABA a concentrazioni molto elevate. Il levorfanolo è da 6 a 8 volte più potente della morfina sul MOR.

Relativamente alla morfina, il levorfanolo non ha una completa cross-tolleranza e possiede una maggiore attività intrinseca sul MOR. La durata d’azione è generalmente lunga rispetto ad altri analgesici comparabili e varia da 4 ore fino a 15 ore. Per questo motivo il levorfanolo è utile nella palliazione del dolore cronico e condizioni simili. Il levorfanolo ha un rapporto di efficacia orale e parenterale di 2:1, uno dei più favorevoli tra i narcotici forti. Il suo antagonismo del recettore NMDA, simile a quello degli oppioidi a catena aperta fenil-eptilaminici come il metadone o la fenilpiperidina ketobemidone, rende il levorfanolo utile per tipi di dolore contro i quali altri analgesici possono non essere così efficaci, come il dolore neuropatico. L’efficacia analgesica eccezionalmente elevata del levorfanolo nel trattamento del dolore neuropatico è conferita anche dalla sua azione sui trasportatori di serotonina e noradrenalina, simile a quella degli oppioidi tramadolo e tapentadolo, e completa reciprocamente l’effetto analgesico del suo antagonismo del recettore NMDA.

Il levorfanolo mostra un alto tasso di effetti collaterali psicotomimetici come allucinazioni e delirio, che sono stati attribuiti al suo legame con il KOR e alla sua attivazione. Allo stesso tempo, tuttavia, l’attivazione di questo recettore e del DOR sono stati determinati per contribuire ai suoi effetti analgesici.