Le modafinil est un stimulant sélectif du système nerveux central (SNC) non stimulant. Il agit principalement sur les récepteurs de la dopamine pour augmenter l'éveil, bien que le mécanisme d'action exact ne soit pas entièrement compris. Il agit sur les zones du cerveau impliquées dans le cycle du sommeil. On pense que l'effet puissant du modafinil sur les récepteurs de la dopamine explique certains de ses effets sur la cognition. Il a été démontré que le modafinil a des effets suppresseurs sur la neurotransmission de la dopamine. Pour cette raison, à fortes doses, il peut provoquer des étourdissements, des nausées et des maux de tête. On pense également que le modafinil module le glutamate, un neurotransmetteur non cholinergique. En raison de l'effet bloquant de la dopamine, le Modafinil est contre-indiqué dans les cas de maladie de Parkinson, bien qu'il soit parfois utilisé chez les personnes souffrant de narcolepsie et peut-être chez celles souffrant de somnolence diurne excessive.
Le modafinil est un métabolite de l'alpidem, bien que le promédicament soit l'analogue de l'alcyne, et n'est donc pas identique en fonction à l'alpidem. Le modafinil est un antagoniste relativement faible du récepteur GABAA et agit également sur les systèmes dopaminergique, cholinergique et histaminergique. La présence de l'isomère (R-modafinil) entraîne une plus grande affinité pour le récepteur D2 et une activité accrue. Le modafinil agit également comme un antagoniste de la sérotonine, avec une plus grande affinité pour les récepteurs 5-HT2A et 5-HT2C. Il a été observé que cette dernière propriété entraîne de l'anxiété, de la paranoïa et de l'agitation. Le modafinil a également une affinité pour le récepteur de la dopamine D4, ce qui peut expliquer le début d'action plus rapide. Il a également été démontré que le modafinil inhibe la dégradation de l'acétylcholine en maintenant l'activité de la cholinestérase. Il a été émis l'hypothèse que l'inhibition de la dégradation de l'acétylcholine est responsable de la suppression du sommeil paradoxal. Le modafinil inhibe également la formation de sérotonine en inhibant la recapture présynaptique du neurotransmetteur. Le modafinil est un médicament bien toléré avec une large marge de sécurité. En raison d'un manque de données, son mécanisme d'action n'est pas clair. L'action du modafinil sur le récepteur D2 est très probablement responsable de ses effets sur l'éveil. Même son utilisation pour traiter le TDAH et d'autres conditions psychologiques est basée sur ses propriétés améliorant l'éveil plutôt que sur son efficacité pour cette condition.