Działanie LSD jest agonistą receptora 5-HT2A. LSD działa na zasadzie sprzężenia zwrotnego dodatniego, krótkotrwale obniża poziom serotoniny, co prowadzi do jej nadprodukcji. Po ok. 2,5–6 h LSD w wyniku rozpadu przestaje oddziaływać z komórkami i następuje nagły wzrost przewodnictwa – impulsy między neuronami są silniejsze, co prowadzi do wykorzystywania połączeń, które w normalnym stanie (bez nadmiaru neuroprzekaźnika) nie byłyby wykorzystane, bądź miałyby mniejszy wpływ na reakcję mózgu. Może to prowadzić – zależnie od ilości – do potęgowania odczuć, halucynacji, synestezji oraz do trwałych zmian w strukturze połączeń między neuronami, co może mieć zróżnicowane następstwa.
Użytkownicy mogą doświadczyć długotrwałch doświadczeń transformatywnych.
Stosunkowo rzadkim zjawiskiem są reminiscencje – po tygodniach, miesiącach, nawet latach od zażycia środka przejawiają się epizodycznie niektóre efekty LSD, które trwają od kilku sekund do kilku godzin. Gdy te nawroty są chroniczne, mówi się o HPPD (Hallucinogen Persisting Perception Disorder) (według DSM-IV).