Neurofizjologiczne mechanizmy działania LSD, a także innych środków psychodysleptycznych, pozostają niejasne. Zwraca uwagę, że LSD nasila dopływ bodźców aferentnych (wstępujących) do tworu siatkowatego, działając w tym przypadku przeciwstawnie do neuroleptyku — chłoropromazyny. Stwierdzono także, że LSD silnie hamuje aktywność bioelektryczną neuronów 5-HT (tzw, jąder szwu). Jest to prawdopodobnie wynik działania agonistycznego (czyli pobudzającego na receptory 5-HT umieszczone na neuronach serotoninergicznych), czyli pobudzania autoreceptorów 5-HT. Mechanizm psychodysleptyczny nie jest jednak związany jedynie z neuronami 5-HT, istnieje bowiem duża grupa środków silnie pobudzających układy katecholaminowe (NA i DA), a także neurony cholinergiczne. Należy zwrócić również- uwagę na peptydy (szczególnie enkefaliny i endorfiny), których uczestnictwo w patomechanizmach psychoz jest obecnie szeroko dyskutowane. LSD podobnie do innych środków halucynogennych wywołuje zależność typu psychicznego (znaną jako zależność typu halucynogennego), może prowadzić także do powstania tolerancji (tolerancja może być typu krzyżowego w wypadku LSD, meskaliny i psylocybiny). Meskalina występuje w roślinie kaktusowatej rosnącej w Meksyku. Poza halucynacjami, zaburzeniami poczucia czasu i miejsca działa sympatykomimetycznie.
