Levorphanol acționează predominant ca agonist al receptorului μ-opioid (MOR), dar este, de asemenea, un agonist al receptorului δ-opioid (DOR), al receptorului κ-opioid (KOR) și al receptorului nociceptinei (NOP), precum și un antagonist al receptorului NMDA și un inhibitor al recaptării serotoninei-norepinefrinei (SNRI). Levorphanol, în mod similar cu anumite alte opioide, acționează, de asemenea, ca antagonist al receptorilor glicinei și ca antagonist al receptorilor GABA la concentrații foarte mari. Levorfolanul este de 6 până la 8 ori mai puternic decât morfina la nivelul MOR.

În comparație cu morfina, levorfolanul nu are toleranță încrucișată completă și posedă o activitate intrinsecă mai mare la nivelul MOR. Durata de acțiune este, în general, lungă în comparație cu alte analgezice comparabile și variază de la 4 ore la până la 15 ore. Din acest motiv, levorphanol este util în paliația durerii cronice și a afecțiunilor similare. Levorphanol are un raport de eficacitate orală și parenterală de 2:1, unul dintre cele mai favorabile dintre narcoticele puternice. Antagonismul său asupra receptorilor NMDA, similar cu cel al opioidelor cu lanț deschis de fenilheptilamină, cum ar fi metadona sau fenilpiperidina ketobemidona, face ca levorfolanul să fie util pentru tipuri de durere împotriva cărora alte analgezice nu sunt la fel de eficiente, cum ar fi durerea neuropată. Eficacitatea analgezică excepțional de ridicată a levorfanolului în tratamentul durerii neuropatice este conferită, de asemenea, de acțiunea sa asupra transportatorilor de serotonină și noradrenalină, similară cu cea a opioidelor tramadol și tapentadol, și completează reciproc efectul analgezic al antagonismului său cu receptorii NMDA.

Levorfănolul prezintă o rată ridicată de efecte secundare psihotomimetice, cum ar fi halucinații și delir, care au fost atribuite legăturii sale cu și activării KOR. În același timp însă, s-a stabilit că activarea acestui receptor, precum și a DOR, contribuie la efectele sale analgezice.

.