曲马多及其代谢产物M1及μ-阿片受体结合；曲马多能微弱地阻断去甲肾上腺素和5-羟色胺的再摄取。曲马多本身及阿片受体亲和力较低，其去甲基代谢产物M1则及阿片受体有较高的亲和力。在动物模型中，M1的镇痛作用为曲马多的6倍，M1及μ-阿片受体的结合比曲马多的强200倍。在多个动物试验中，曲马多的镇痛作用仅部分被阿片受体拮抗剂纳洛酮所阻断。曲马多和M1的镇痛作用及其在人体血浆内的浓度呈正比。及其他一些阿片类镇痛药相同的是，曲马多在体外还可以抑制去甲肾上腺素和5-羟色胺的再摄取。上述两种机制也可能单独发挥出镇痛作用。