Levorphanol atua predominantemente como agonista do receptor μ-opioide (MOR), mas também é agonista do receptor μ-opioide (DOR), κ-opioid receptor (KOR), e do receptor nociceptin (NOP), assim como um antagonista do receptor NMDA e um inibidor de recaptação de serotonina-norepinefrina (SNRI). O levorfanol, assim como alguns outros opióides, também atua como antagonista do receptor de glicina e antagonista do receptor GABA em concentrações muito altas. O levorfanol é 6 a 8 vezes mais potente que a morfina no MOR.

Relativo à morfina, o levorfanol carece de tolerância cruzada completa e possui maior atividade intrínseca no MOR. A duração da ação é geralmente longa em comparação com outros analgésicos comparáveis e varia de 4 horas a até 15 horas. Por este motivo, o levorfanol é útil na paliação da dor crônica e em condições similares. O levorfanol tem uma relação de eficácia oral para parenteral de 2:1, uma das mais favoráveis dos narcóticos fortes. Seu antagonismo do receptor NMDA, semelhante ao dos opióides de cadeia aberta da fenilheptilamina como a metadona ou a fenilpiperidina cetobemidona, torna o levorfanol útil para tipos de dor que outros analgésicos podem não ser tão eficazes contra, como a dor neuropática. A eficácia analgésica excepcionalmente elevada do levorfanol no tratamento da dor neuropática é também conferida pela sua acção nos transportadores de serotonina e norepinefrina, semelhante ao tramadol e ao tapentadol opióides, e complementa mutuamente o efeito analgésico do seu antagonismo receptor NMDA.

O levorfanol apresenta uma elevada taxa de efeitos secundários psicotomiméticos, como alucinações e delírios, que têm sido atribuídos à sua ligação e activação da KOR. Ao mesmo tempo, porém, a ativação deste receptor, bem como do DOR, tem sido determinada a contribuir para os seus efeitos analgésicos.