自主神经系统对心率的调节主要通过交感神经和副交感神经来实现。交感神经系统在心脏的作用主要是增加心率和增强心肌收缩力，而副交感神经系统（主要通过迷走神经）则有减慢心率的效果。
1. 交感神经系统的激活会导致去甲肾上腺素的释放，这种物质可以与心脏细胞上的β受体结合，进而导致心跳加速、心肌收缩力增强。这是因为去甲肾上腺素激活了细胞内的信号传导途径，最终增加了钙离子在心肌细胞中的浓度，从而增强了肌肉的收缩。
2. 副交感神经系统通过迷走神经释放乙酰胆碱作用于心脏上的M受体（主要是M2型受体），导致心率减慢。这是因为乙酰胆碱能够激活钾通道，使细胞膜超极化，提高动作电位阈值，从而降低窦房结的自律性，减少心跳次数。

在生理状态下，这两套系统处于动态平衡之中，共同维持着正常的心率和心脏功能。当机体遇到应激情况时（如运动、情绪激动等），交感神经活动增强，心率加快；而在安静或休息状态下，则主要是副交感神经起主导作用，使心率保持在一个较低水平。

此外，自主神经系统还能够调节血管的舒缩状态，间接影响心脏的工作负荷。例如，在应激反应中，除了直接提高心率外，交感神经还能引起全身小动脉收缩，增加外周阻力，从而进一步提升血压以满足身体对血流的需求。