这类毒品能穿透血脑屏障，精准干扰神经递质的生理过程。多巴胺系统是冰毒、 methamphetamine 等合成毒品的主要作用对象。它们会强制刺激多巴胺大量释放，同时抑制多巴胺转运体对其的再摄取，使突触间隙多巴胺浓度骤升，引发强烈欣快感与精神亢奋。
5-羟色胺系统也常遭合成毒品攻击。摇头丸MDMA等物质促使 5-羟色胺过量释放并阻碍其回收，导致情绪亢奋、感知扭曲与冲动行为。而去甲肾上腺素系统被激活后，会引发血压升高、心率加快，进一步放大身体的兴奋反应。部分合成毒品还直接作用于特定神经受体。如 K 粉氯胺酮通过阻断 NMDA 受体，干扰谷氨酸能神经传递，造成短暂的分离性幻觉、意识障碍与痛觉消失。这些作用机制共同破坏中枢神经系统的平衡调节，使神经细胞长期处于过度兴奋或抑制状态，最终导致不可逆损伤，引发认知衰退、情绪障碍、精神异常等严重后果。