Koffein wirkt direkt auf das Zentrale Nervensystem, wo es Adenosinrezeptoren blockiert und damit verhindert, daß das Adenosin seine sedierende Wirkung entfaltet. Es regt die Herztätigkeit an, steigert Aufmerksamkeit, Blutdruck, Puls und Körpertemperatur, stimuliert die Muskeltätigkeit, erweitert Bronchien und Blutgefäße, regt die Verdauung an, fördert den Fettabbau und führt zu vermehrtem Wasserlassen.
Bei Einnahme extrem hoher Dosen kann es zu Zittrigkeit, Herzrasen, Bluthochdruck, Schlaflosigkeit, Angstzuständen und Reizerscheinungen im Magen-Darm-Trakt kommen. Um die letale Dosis Koffein aufzunehmen müßte man in kurzer Zeit mindestens 100 Tassen Kaffee trinken.
Wie stark der Einzelne auf Koffein reagiert, ist von Mensch zu Mensch verschieden. Manche beobachten sogar den gegenteiligen Effekt: Sie werden durch Kaffee müde und schläfrig.