El principal mecanismo de acción de la cocaína es la inhibición de la recaptación de dopamina y noradrenalina, produciendo un aumento de estos neurotransmisores en la sinapsis. El consumo agudo de cocaína produce una serie de cambios bastante conocidos en el sistema cerebral de recompensa. Sin embargo, el consumo crónico, produce, además, otra serie de cambios a nivel molecular que llevan al sujeto desde una situación de consumo puntual, a una situación de dependencia. Se han propuesto diferentes teorías explicativas de este fenómeno como la sensibilización del incentivo, o la homeostasis y alostasis neuroquímica, planteamientos basados en el condicionamiento clásico y operante. Por otra parte, se ha señalado la intervención de diferentes moléculas y vías de segundos mensajeros, que producen, en última instancia, una serie de cambios neuronales mantenidos a muy largo plazo, probablemente permanentes, que se podrían relacionar con la vulnerabilidad a las recaídas, propia de la adicción a cocaína, incluso años después de abandonar el consumo.