Leworfanol działa przede wszystkim jako agonista receptora μ-opioidowego (MOR), ale jest również agonistą receptora δ-opioidowego (DOR), receptora κ-opioidowego (KOR) i receptora nocyceptyny (NOP), a także antagonistą receptora NMDA i inhibitorem wychwytu zwrotnego serotoniny i noradrenaliny (SNRI). Levorphanol, podobnie jak niektóre inne opioidy, w bardzo dużych stężeniach działa również jako antagonista receptora glicynowego i antagonista receptora GABA. Leworfanol jest 6 do 8 razy silniejszy niż morfina w MOR.

W porównaniu z morfiną, leworfanol nie wykazuje całkowitej tolerancji krzyżowej i posiada większą wewnętrzną aktywność w MOR. Czas działania jest na ogół długi w porównaniu z innymi porównywalnymi lekami przeciwbólowymi i waha się od 4 godzin do nawet 15 godzin. Z tego powodu leworfanol jest przydatny w łagodzeniu bólu przewlekłego i podobnych schorzeń. Stosunek skuteczności działania doustnego do pozajelitowego wynosi 2:1 i jest jednym z najkorzystniejszych wśród silnych leków narkotycznych. Jego antagonizm receptora NMDA, podobny do tego, jaki wykazują opioidy o otwartym łańcuchu fenyloheptyloaminy, takie jak metadon lub ketobemidon z fenylopiperydyną, sprawia, że leworfanol jest przydatny w tych rodzajach bólu, w których inne leki przeciwbólowe mogą nie być tak skuteczne, np. w bólu neuropatycznym. Wyjątkowo wysoka skuteczność przeciwbólowa leworfanolu w leczeniu bólu neuropatycznego wynika również z jego działania na transportery serotoniny i noradrenaliny, podobnie jak w przypadku opioidów tramadolu i tapentadolu, i wzajemnie uzupełnia działanie przeciwbólowe antagonizmu receptora NMDA.

Leworfanol wykazuje wysoki odsetek psychotomimetycznych działań niepożądanych, takich jak halucynacje i delirium, które przypisuje się wiązaniu z KOR i jego aktywacji. Jednocześnie jednak ustalono, że aktywacja tego receptora, jak również DOR, przyczynia się do jego działania przeciwbólowego.

.