Il pregabalin è strutturalmente simile al neurotrasmettitore inibitorio acido gamma-aminobutirrico. ÈLa molecola è stata modificata per essere un analogo lipofilo al fine di migliorarne la diffusione attraverso la barriera emato-encefalica. Tuttavia, il pregabalin non si lega direttamente ai recettori GABA-A o GABA-B. Inoltre, non viene metabolizzatametabolizzato in un agonista del recettore GABA. Nei modelli animali, si lega alla subunità alfa-2-delta dei canali del calcio voltaggio-dipendenti presenti a livello presinaptico nei tessuti del sistema nervoso centrale. Il legame con la subunità alfa-2-delta riduce l'ingresso di calcio indotto dalla depolarizzazione nelle cellule neuronali e riduce il rilascio di neurotrasmettitori eccitatori. Quest'azione potrebbe giustificare gli effetti anticonvulsivanti e analgesici, inoltre il farmaco non ha attività nota sui canali del sodio, sui recettori della dopamina, sui recettori della serotonina, sui recettori degli oppioidi e non modifica l'attività della cicloossigenasi.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Charles P.|cognome=Taylor|nome2=Timothy|cognome2=Angelotti|nome3=Eric|cognome3=Fauman|data=2007-02|titolo=Pharmacology and mechanism of action of pregabalin: the calcium channel alpha2-delta (alpha2-delta) subunit as a target for antiepileptic drug discovery|rivista=Epilepsy Research|volume=73|numero=2|pp=137–150|accesso=2023-08-04|doi=10.1016/j.eplepsyres.2006.09.008|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17126531/}}</ref>
