去甲肾上腺素主要通过激动肾上腺素能受体发挥作用。它能直接激动α受体，对β₁受体作用较弱，对β₂受体几乎无作用。当去甲肾上腺素与血管平滑肌上的α受体结合时，会引起血管收缩，尤其是小动脉和小静脉收缩明显。比如皮肤、黏膜血管收缩最显著，其次是肾脏血管。
对心血管系统的作用
激动α受体致血管收缩： 去甲肾上腺素作用于血管平滑肌的α受体，使血管收缩，外周阻力增大，血压升高。以皮肤、黏膜血管收缩最为明显，其次是肾脏血管。对心脏有一定作用： 去甲肾上腺素能激动心脏的β₁受体，使心肌收缩力加强，心率加快，但在整体情况下，由于血压升高，可通过压力感受器反射使心率减慢。
对平滑肌的作用
对胃肠道平滑肌影响： 去甲肾上腺素能使胃肠道平滑肌张力降低、蠕动减慢，但由于血管收缩，胃肠道供血减少，其直接对平滑肌的作用可能被掩盖。对支气管平滑肌影响： 去甲肾上腺素对支气管平滑肌β₂受体作用弱，一般不会引起支气管平滑肌明显舒张，但在大剂量时可能有一定影响。
在临床中的应用及机制相关
用于休克治疗： 在某些休克状态下，去甲肾上腺素可暂时提升血压，保证重要脏器的血液供应。其机制就是通过收缩血管，升高血压，不过现在已较少单独使用，多与其他药物配合。局部止血： 利用去甲肾上腺素收缩局部血管的作用，可用于上消化道出血时局部灌注，使血管收缩达到止血目的，但要注意浓度和使用方法，避免引起局部组织缺血坏死。