Mekanisme kerja menghambat kejang kemungkinan melibatkan potensiasi penghambatan sinaps melalui suatu kerja pada reseptor GABA, rekaman intrasel neuron korteks atau spinalis kordata mencit menunjukkan bahwa fenobarbital meningkatkan respons terhadap GABA yang diberikan secara iontoforetik. Efek ini telah teramati pada konsentrasi fenobarbital yang sesuai secara terapeutik. Analisis saluran tunggal pada out patch bagian luar yang diisolasi dari neuron spinalis kordata mencit menunjukkan bahwa fenobarbital meningkatkan arus yang diperantarai reseptor GABA dengan meningkatkan durasi ledakan arus yang diperantarai reseptor GABA tanpa merubah frekuensi ledakan. Pada kadar yang melebihi konsentrasi terapeutik, fenobarbital juga membatasi perangsangan berulang terus menerus; ini mendasari beberapa efek kejang fenobarbital pada konsentrasi yang lebih tinggi yang tercapai selama terapi status epileptikus. 

Pengikatan GABA (asam gamma amino butirat) ke reseptornya pada membran sel akan membuka saluran klorida, meningkatkan efek konduksi klorida. Aliran ion klorida yang masuk menyebabkan hiperpolarisasi lemah menurunkan potensi postsinaptik dari ambang letup dan meniadakan pembentukan kerja-potensial. Benzodiazepin terikat pada sisi spesifik dan berafinitas tinggi dari membran sel, yang terpisah tetapi dekat reseptor GABA. Reseptor benzodiazepin terdapat hanya pada SSP dan lokasi nya sejajar dengan neuron GABA. Pengikatan benzodiazepin memacu afinitas reseptor GABA untuk neurotansmitter yang bersangkutan, sehingga saluran klorida yang berdekatan lebih sering terbuka keadaan tersebut akan memacu hiperpolarisasi dan menghambat letupan neuron [ catatan : benzodiazepin dan GABA secara bersama-sama akan meningkatkan afinitas terhadap sisi sisi ikatan nya tanpa perubahan jumlah total sisi tersebut ]. Efek klinis berbagai benzodiazepin tergantung afinitas ikatan obat masing-masing pada kompleks ikatan ion, yaitu kompleks GABA reseptor dan klorida. Barbiturat barangkali mengganggu transpor natrium dan kalium melewati membran sel. Ini mengakibatkan inhibisi aktivitas sistem retikular mesensefalik. Transmisi polisinaptik SSP dihambat . Barbiturat juga meningkatkan fungsi GABA memasukkan klorida ke dalam neuron, meskipun obatnya tidak terikat pada reseptor benzodiazepin ( Mycek,2003) Barbiturat mengganggu transpor natrium dan kalium melewati membran sel. Ini mengakibatkan inhibisi aktivitas sistem retikular mesensefalik. Transmisi polisinaptik SSP dihambat. Barbiturat juga meningkatkan fungsi GABA memasukkan klorida ke dalam neuron

Mycek, mary J. dkk .2003. Farmakologi Ulasan Bergambar edisi 2. Jakarta : Buku kedokteran EGC. Halaman 89-94

Barbiturat mendepresi aktivitas semua jaringan yang dapat terangsang secara reversibel, berkisar  dari sedasi ringan sampai anastesia umum. Kecuali aktivitas antikonvulsan fenobarbital mempunyai tingkat selektivitas indeks terapeutik yang rendah. Persepsi dan reaksi nyeri relatif tidak dikurangi sebelum terjadi ketidaksadaran, dan dalam dosis rendah. Senyawa ini tidak dapat diandalkan untuk menghasilkan sedasi atau tidur dengan adanya nyeri sedang sekalipun. Seperti obat depresan SSP lain, barbiturat disalahgunakan, dan beberapa individu mengalami ketergantungan terhadap obat-obat ini.

Mekanisme yang mendasari kerja barbiturat pada reseptor GABA A, tampaknya berbeda dengan mekanisme GABA atau benzodiazepin, dengan alasan sebagai berikut: (1) Walaupun barbiturat

juga meningkatkan ikatan GABA pada reseptor GABA A dengan cara tergantung klorida dan peka terhadap pirotoksin, obat-obat ini mendorong (bukan menggantikan) ikatan benzodizapin. (2) Barbiturat mempotensiasi arus klorida yang diinduksi GABA dengan memperpanjang periode terjadinya ledakan pembukaan saluran dan bukan dengan meningkatkan frekuensi ledakan pembukaan ini, seperti yang terjadi pada benzodiazepin. (3) Hanya subunit alfa dan beta (bukan gamma) yang diperlukan untuk kerja barbiturat. (4) Peningkatan konduktansi klorida yang diinduksi oleh barbiturat tidak terpengaruh oleh penghilangan residu tirosin dan treonin dalam subunit beta yang mengatur kepekaan reseptor GABA A terhadap aktivasi oleh agonis. Barbiturat secara selektif mendepresi transmisi pada ganglia otonom dan mengurangi eksitasi nikotinik oleh ester-ester kolin.