Levorphanolはμ-オピオイド受容体（MOR）のアゴニストとして主に作用しますが、δ-オピオイド受容体（DOR）、κ-オピオイド受容体（KOR）、ノシセプチンの受容体（NOP）のアゴニストでもあり、さらにNMDA受容体拮抗剤やセロトニンノレピネフリン再取込阻害剤（SNRI）も作用します。 レボルファノールは、他のある種のオピオイドと同様に、非常に高い濃度でグリシン受容体拮抗薬およびGABA受容体拮抗薬として作用する。 レボルファノールは、モルヒネの6～8倍のMOR活性を有する。

モルヒネと比較して、レボルファノールは完全な交差耐性を欠き、MORにおいてより大きな固有活性を有する。 作用時間は他の鎮痛剤と比較して一般的に長く、4時間から15時間と幅がある。 このため、レボルファノールは慢性疼痛や類似の症状の緩和に有用である。 Levorphanolの経口と非経口の有効性比は2：1で、強力な麻薬の中でも最も好ましいものの1つです。 メタドンやフェニルピペリジン系ケトベミドンのようなフェニルヘプチルアミン系開鎖オピオイドと同様にNMDA受容体に拮抗するため、神経障害性疼痛など他の鎮痛剤が効きにくいタイプの痛みに有効です。 神経障害性疼痛の治療におけるレボルファノールの極めて高い鎮痛効果は、オピオイドのトラマドールやタペンタドールと同様にセロトニンやノルエピネフリンのトランスポーターへの作用によってもたらされ、NMDA受容体拮抗による鎮痛効果を相互に補完しています

Levorphanol では幻覚やせん妄などの精神障害性副作用が高い割合で認められていますが、これはKORへの結合と活性化によるものと考えられています。 しかし同時に、この受容体およびDORの活性化も鎮痛作用に寄与することが明らかにされています

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