Le modafinil est un dérivé aza-azépane d'un dibenzyltétrahydrofurane. Le modafinil peut être obtenu sous la forme non protonée (neutre). Le composé est un ione [oxazole-2-one] et un cycle benzénique sont reliés par un oxygène carbonyle (C=O) et un groupe imino (NH). Le modafinil et tous ses stéréoisomères sont des poudres amorphes blanches à blanc cassé solubles dans les solvants organiques. Le modafinil est très soluble en milieu aqueux et modérément soluble dans le méthanol. Dans le méthanol, son Ksp est d'environ 4,09 M-1. Le modafinil est stable en solution à température ambiante. La solubilité élevée du médicament lui permet d'être administré par voie orale sous forme de solution ou de suspension. À une concentration de 100 mg/mL, le modafinil a une solution claire et incolore. La solution injectable de modafinil peut être conservée entre 2 °C et 8 °C pendant 4 semaines et à −20 °C pendant au moins 6 mois. Il doit être réfrigéré ou conservé à température ambiante. La solution injectable de modafinil est stable à température ambiante jusqu'à 4 heures.
Le modafinil se lie et inhibe la liaison de l'adénosine au site actif du récepteur humain de l'adénosine A2A (A2AR). Ce site est également connu sous le nom de site "entérochromatine" et est principalement impliqué dans le sommeil, la régulation du métabolisme et l'équilibre énergétique. Lorsque l'adénosine se lie à ce site, elle active l'adénosine kinase qui phosphoryle l'adénosine en adénosine monophosphate. Sans adénosine monophosphate, le substrat énergétique cellulaire AMP s'épuise et, par conséquent, la production d'ATP est ralentie. La transition de la nuit au jour, ou du sommeil à l'éveil, est causée par l'augmentation des niveaux d'adénosine. C'est pourquoi les patients sous modafinil ont des difficultés à s'endormir ou à rester endormis en raison de l'augmentation des taux d'adénosine. Le résultat final est une diminution de la quantité d'adénosine liée au récepteur A2A, et donc la quantité d'adénosine dans le corps augmente. L'augmentation des niveaux d'adénosine provoque la somnolence, tandis que la diminution des niveaux d'adénosine provoque l'éveil.