小分子藥物最常見的作用機制是通過與細胞表面、細胞核或細胞質中受體結合發揮作用。受體是壹種大分子，負責激活細胞間或細胞內的化學信號。與受體結合的分子稱為配體。
配體通過多種途徑與受體發生作用：
1. 完全激動劑，當它以高親和力並全效與受體結合時，產生最高可能的反應或最大效果；
2. 部分激動劑，當它以高親和力但部分有效性與受體結合時，即使小分子濃度高到足以使所有受體被配體占據，也會產生短於最大值的響應；
3. 反向激動劑是壹種具有高親和力但具有抑制作用的配體，導致與完全激動劑結合所產生的效果相反的效果；
4. 拮抗劑也是壹種配體，它阻止任何效果在受體上起作用。
小分子藥物如何影響受體取決於它的親和力和功效，正如上面的定義所描述的，這些性質又由化學結構決定。
有時，壹個化合物由兩種分子組成，稱為對映體，即它們具有相同的化學結構，但彼此是鏡像。這些分子也被稱為立體異構體，重要的是它們在生物活性上表現出差異。壹些這類分子具有手性，如甘油醛或氨基酸丙氨酸。