咖啡因的化學結構和一種專門舒緩神經的大腦神經傳遞物質『腺苷(adenosine)』部分很類似，所以咖啡因就會強奪頂替了『腺苷』的位置，讓真正有舒緩功能的『腺苷』無法發揮作用，而細胞就會進入「缺氧」狀態，而飲用咖啡的人，他的腦部血流量比正常的人少了３０％，明顯慢性缺氧。
咖啡因會阻擋腺苷的神經接受器，使得神經細胞受到刺激分泌腎上腺素，讓身體處於亢奮狀態，而腎上腺素的分泌會促使體內心跳加快、血壓增高、肌肉血流量提高，會造成皮膚內臟的血流量相對減低，使得人體處於緊張狀態，也就是咖啡因上癮者為什麼會有嚴重經痛的原因，而後演變為子宮內膜異位症（腫瘤、經期腹瀉、沾黏）。