L'atomoxétine est un inhibiteur puissant et très sélectif du transporteur pré-synaptique de la noradrénaline, mécanisme d'action supposé, sans effet direct sur les transporteurs de la sérotonine ou de la dopamine.
L'atomoxétine a une affinité minimale pour les autres récepteurs noradrénergiques ou pour les transporteurs ou récepteurs d'autres neurotransmetteurs.
L'atomoxétine a deux métabolites oxydatifs majeurs: la 4-hydroxyatomoxétine et la N-déméthylatomoxétine.
L'activité inhibitrice de la 4-hydroxyatomoxétine sur le transporteur de la noradrénaline est aussi puissante que l'atomoxétine mais, contrairement à l'atomoxétine, ce métabolite exerce également une activité inhibitrice sur le transporteur de la sérotonine.