Chimicamente è una xantina (1,3,7-trimetilxantina) e come tale svolge azione stimolante del sistema nervoso centrale (elimina la sonnolenza e attiva il senso di attenzione) intervenendo sulle sinapsi; di lieve azione diuretica e di modesto effetto vasodilatatore, ha un effetto irritante per la mucosa dello stomaco. Per la sua azione stimolante è usata come antidoto dei farmaci ipnotici. Effetti negativi da sovradosaggio sono eccitazione, insonnia, tremori, nausea, vomito, aumento della diuresi, tachicardia, extrasistole.
La dose letale della caffeina per un uomo adulto, è stimata essere fra 150 ed i 200mg per Kg di massa corporea somministrati per via orale in un intervallo di tempo che va in genere dalle 3,5 alle 10 ore. Vari fattori possono allungare l'emivita della caffeina e quindi questo intervallo cresce per le donne in gravidanza, per effetto delle pillole contraccettive e per i bambini.
La caffeina provoca un aumento di acidi gastrici; un utilizzo prolungato nel tempo può quindi portare ad ulcera, esofagite e riflusso gastrointestinale. Un abuso può anche portare a nervosismo, irritabilità, ansia, insonnia e palpitazioni. E' sconsigliata alle donne in gravidanza o che vogliono avere un bambino
Chi consuma regolarmente caffeina sviluppa una tolleranza che si traduce in un affievolimento dell'effetto della caffeina e contemporaneamente in una accresciuta sensibilità verso l'adenosina. Il risultato di ciò è una diminuzione della pressione sanguigna e ad un aumento della quantità di sangue nella testa che porta ad emicrania. Altri sintomi sono nausea, ansia, irritabilità. In casi di abuso si possono avere sintomi quali depressione, incapacità di concentrarsi, demotivazione.