Przedłuża okres otwarcia kanału w receptorze GABA-A (Benzodiazepiny zwiększają częstotliwość otwarcia kanału ).
Wywiera działanie przez wpływ na kompleks receptorowy GABA związany z kanałem dla jonów , po związaniu z kompleksem receptorowym powoduje nasilenie hamowania GABA-ergicznego w wyniku zwiększonego napływu jonów chlorkowych do wnętrza neuronu. Blokuje zależny od napięcia kanał wapniowy. Prawdopodobnie zaburza równowagę między procesami pobudzania a hamowania neuronów w różnych strukturach mózgu, poprzez nasilenie blokującego wpływu GABA na przekaźnictwo nerwowe (receptory GABA-A). Fenobarbital działa hamująco na neurony układu limbicznego, tworu siatkowatego w mózgu, a także podwzgórza, upośledza przekazywanie bodźców do kory mózgowej z tych struktur. Fenobarbital wzmacnia efekt hamujący neuroprzekaźnika GABA a podany w wysokich dawkach działa jak analog GABA. Jest jednym z modulatorów receptora GABA-A. Redukuje pobudzający wpływ glutaminianów.
Eliminacja: ok. 25% przez nerki w postaci niezmienionej (większy odsetek przy moczu alkalicznym lub przy poliurii), reszta metabolizowana w wątrobie. Poziom leczniczy w osoczu 15–40 mg/l.