O Fentanil é agonista dos receptores opióides encontrados nos neurónios, por ter estrutura e conformação semelhantes dos opióides endógenos. Dos três principais tipos de receptores opióides (µ, σ, κ), os receptores µ são os mais importantes na regulação da sensibilidade à dor.
Ao estimular estes receptores, que são acoplados à proteína G, inibem a adenil ciclase reduzindo a concentração intracelular de AMPc. Por outro lado, promove a abertura dos canais de potássio e inibe a abertura dos canais de cálcio dependentes de voltagem. Assim, reduzem a excitabilidade neuronal, e por sua vez, a condução do sinal eléctrico ao longo dos neurónios, diminuindo a sensação da dor.