硫喷妥钠的脂溶性高，静注后通过血脑屏障，进入脑内出现全麻，随后再分布到全身脂肪中。静注6.7±0.7mg/kg，分布容积为2.3L/kg，妊娠足月者为4.1L/kg，肥胖者为7.9L/kg、蛋白结合率为85%（72～86%）。
静注（成人350mg）后血药及组织中浓度达峰时间分别为：血浆最快，脑组织30秒内，肌内15～30分钟,脂肪在数小时内；血药及组织中浓度的峰值，动脉血的血浆内以及血供丰富的脑、心、肝、和肾组织内为175μg/ml；颈静脉血为75μg/ml；作用持续时间约10～30分钟，其久暂取决于一定时间内的用量以及代谢快慢等因素。半衰期α为8.5±6.1分钟（一次量，快）或62.7±30.4分钟（蓄积后，慢）；半衰期β一般为11.4±6.0小时，可随年龄而增加，妊娠足月者为26.1小时，肥胖者为27.85小时，主要经肝代谢，几乎全部经生物转化成氧化物而排出，仅极微量以原形随尿排出。
