Foram propostos diversos mecanismos para a ação das metilxantinas, mas nenhum foi definitivamente confirmado. Demonstrou-se in vitro que, em altas concentrações, elas inibem vários membros da família de enzimas das fosfodiesterases (PDE), aumentando, assim, a concentração intracelular de AMPc e, em alguns tecidos, de monofosfato de guanosina cíclico (GMPc). O AMPc regula diversas funções celulares, incluindo, mas não de forma excludente, estimulação de função cardíaca, relaxamento de musculatura lisa e redução da atividade inflamatória e imune em células específicas.