Les effets biochimiques, vraisemblablement à l'origine de l'effet thérapeutique, reposent sur une diminution du recaptage présynaptique de la noradrénaline et de la sérotonine dont la transmission synaptique est facilitée.
L'amoxapine a une affinité très importante pour les récepteurs sérotoninergiques: c'est un antagoniste des récepteurs 5HT2.
L'effet sédatif est en rapport avec la composante histaminergique de la molécule.
Par ailleurs, celle-ci exerce un effet anticholinergique central et périphérique modéré, à l'origine d'effets indésirables, et présente une faible affinité pour les récepteurs adrénergiques (α1 et α2) et dopaminergiques (D2).