1.中樞神經系統
咖啡因興奮中樞神經系統的范圍與劑量有關，小劑量能興奮大腦皮層，表現為精神興奮、思維活躍，可減輕疲乏、消除困倦；大劑量引起精神緊張、手足震顫、失眠和頭痛等。同時也興奮延髓腦血管運動中樞和迷走神經中樞，使血壓升高、心率減慢。
2.心血管系統
咖啡因直接松弛血管平滑肌，使血管擴張，外周阻力降低。對腦血管作用相反，直接作用于大腦小動脈的肌層，使其血管收縮，腦血管阻力增加，腦血流量減少。舒張小支氣管和肺泡平滑肌時，還可使肺小動脈舒張和肺血流量增加。
3.其他
對支氣管和膽道等平滑肌有舒張作用，增加腎小球濾過率，減少腎小管對Na+的重吸收而具有利尿作用。