Levorphanol werkt voornamelijk als agonist van de μ-opioïdereceptor (MOR), maar is ook een agonist van de δ-opioïdereceptor (DOR), κ-opioïdereceptor (KOR) en de nociceptinereceptor (NOP), en is tevens een NMDA-receptorantagonist en een serotonine-noradrenalineheropnameremmer (SNRI). Levorphanol werkt, net als bepaalde andere opioïden, bij zeer hoge concentraties ook als een glycinereceptorantagonist en een GABA-receptorantagonist. Levorphanol is 6 tot 8 maal zo krachtig als morfine aan de MOR.

Relatief ten opzichte van morfine mist levorphanol volledige kruistolerantie en bezit het een grotere intrinsieke activiteit aan de MOR. De werkingsduur is over het algemeen lang in vergelijking met andere vergelijkbare analgetica en varieert van 4 uur tot maar liefst 15 uur. Om deze reden is levorphanol nuttig bij de palliatie van chronische pijn en soortgelijke aandoeningen. Levorphanol heeft een orale tot parenterale effectiviteitsratio van 2:1, één van de gunstigste van de sterke narcotica. Door zijn antagonisme van de NMDA-receptor, vergelijkbaar met die van de fenylheptylamine open-keten opioïden zoals methadon of de fenylpiperidine ketobemidon, is levorphanol nuttig voor soorten pijn waartegen andere analgetica mogelijk niet zo effectief zijn, zoals neuropathische pijn. De uitzonderlijk hoge analgetische werkzaamheid van levorphanol bij de behandeling van neuropathische pijn wordt ook verkregen door zijn werking op de serotonine- en noradreninetransporters, vergelijkbaar met de opioïden tramadol en tapentadol, en vult het analgetische effect van zijn NMDA-receptorantagonisme wederzijds aan.

Levorphanol vertoont een hoog percentage psychotomimetische bijwerkingen, zoals hallucinaties en delirium, die worden toegeschreven aan zijn binding aan en activering van de KOR. Tegelijkertijd is echter vastgesteld dat activering van deze receptor en van de DOR bijdraagt tot de pijnstillende werking.