每种精神活性物质产生成瘾性的机理不尽相同，咖啡因的成瘾机制主要与大脑内的腺苷分子和腺苷受体有关，它们能起到调控人体清醒状态的作用。我们可以把腺苷受体想象成一把锁头，腺苷分子则是能开锁的钥匙。当腺苷分子钥匙插进腺苷受体锁头后，会打开锁头，使脑细胞活性下降，人就会产生困意。正常情况下，人清醒的时间越长，消耗的能量越多，大脑内的腺苷分子就会相应增多。
这些钥匙纷纷插进大脑特定部位脑细胞上的锁头，使人产生困意。随着插进锁头的钥匙越来越多，人就会感到困意渐浓。咖啡因的“外形”很像腺苷分子，是一把能欺骗腺苷受体的假钥匙。这把假钥匙虽然能插进锁眼，却无法开启腺苷受体锁头，而由于锁头没有被打开，人就不会产生困意。咖啡入口后，咖啡因会在2～5分钟内抵达大脑，欺骗腺苷受体，因此当我们感到困倦时喝咖啡会很快缓解困意，让人觉得精神振奋。
随着时间的推移，肝脏内的酶系统会将体内的咖啡因逐渐分解代谢，代谢物随尿液排出体外。随着咖啡因的分解代谢，大脑内占据腺苷受体锁眼的咖啡因假钥匙越来越少，原先被阻隔的腺苷分子又纷纷插进了腺苷受体的锁眼，困意会再次袭来。
在经过一段时间的睡眠后，大脑内的腺苷分子被逐渐消耗，腺苷受体锁头纷纷关闭，脑细胞活性又得以增强，我们便会精神饱满地醒来。咖啡因不仅会阻碍腺苷分子和腺苷受体的结合，还会激发大脑内的多巴胺发挥作用，这种物质会使人感到愉悦。因此，很多人饮用咖啡后会觉得心情舒畅，产生幸福感。