Кофеин как химическое вещество принадлежит к группе ксантинов. К этой же группе принадлежит аденозин, который естественным образом присутствует в головном мозге и выступает в качестве нейромедиатора в ряде синапсов. Один из эффектов кофеина связан с его вмешательством в те процессы в различных местах головного мозга, которые регулируются аденозином, в том числе в так называемой ретикулярной формации, отвечающей за уровень бодрствования организма.
