Levorphanol fungerar främst som en agonist för μ-opioidreceptorn (MOR), men är också en agonist för δ-opioidreceptorn (DOR), κ-opioidreceptorn (KOR) och nociceptinreceptorn (NOP) samt en NMDA-receptorantagonist och en serotonin-norepinefrinåterupptagshämmare (SNRI). Levorphanol, i likhet med vissa andra opioider, fungerar också som en glycinreceptorantagonist och GABA-receptorantagonist vid mycket höga koncentrationer. Levorphanol är 6 till 8 gånger så potent som morfin vid MOR.

I förhållande till morfin saknar levorphanol fullständig korstolerans och har större inneboende aktivitet vid MOR. Verkningstiden är i allmänhet lång jämfört med andra jämförbara analgetika och varierar från 4 timmar till så mycket som 15 timmar. Av denna anledning är levorphanol användbart vid lindring av kronisk smärta och liknande tillstånd. Levorphanol har en oral till parenteral effektivitetskvot på 2:1, vilket är en av de mest gynnsamma av de starka narkotikanterna. Dess antagonism av NMDA-receptorn, som liknar antagonismen hos fenylheptylaminopioider med öppen kedja som metadon eller fenylpiperidin ketobemidon, gör levorphanol användbar för typer av smärta som andra analgetika kanske inte är lika effektiva mot, t.ex. neuropatisk smärta. Levorfanols exceptionellt höga analgetiska effekt vid behandling av neuropatisk smärta ges också av dess verkan på serotonin- och noradrenaltransportörer, i likhet med opioiderna tramadol och tapentadol, och kompletterar ömsesidigt den analgetiska effekten av dess NMDA-receptorantagonism.

Levorfanol uppvisar en hög grad av psykotomimetiska biverkningar, såsom hallucinationer och delirium, som har tillskrivits dess bindning till och aktivering av KOR. Samtidigt har dock aktivering av denna receptor liksom av DOR fastställts bidra till dess analgetiska effekter.