Amitriptilin je triciklički antidepresiv i analgetik. Ima izrazita antikolinergička i sedativna svojstva. Sprječava ponovnu pohranu te posljedično inaktivaciju noradrenalina i serotonina na živčanim završecima. Sprječavanje ponovne pohrane ovih monoaminskih neurotransmitera pojačava njihovo djelovanje u mozgu.
Mehanizam djelovanja također uključuje učinke blokiranja ionskih kanala na natrijevim, kalijevim i NMDA kanalima na centralnoj razini i razini kralježničke moždine. Poznato je da su učinci noradrenalina, natrija i NMDA mehanizmi uključeni u održavanje neuropatske boli, profilaksu kronične tenzijske glavobolje i profilaksu migrene.
Triciklički antidepresivi imaju različit stupanj afiniteta prema muskarinskim i histaminskim H1 receptorima.