高效利尿药主要作用于髓袢升支粗段，其作用机制与该段肾小管的生理功能密切相关。

髓袢升支粗段对尿液的浓缩和稀释起着关键作用。此段肾小管能重吸收原尿中约30% - 35%的氯化钠，但对水的通透性极低，故该段小管腔内尿液渗透压逐渐降低，而肾髓质间液则形成高渗状态。高效利尿药如呋塞米、布美他尼等，能特异性地与髓袢升支粗段管腔膜侧的Na⁺ - K⁺ - 2Cl⁻同向转运体结合，抑制其转运功能。

当Na⁺ - K⁺ - 2Cl⁻同向转运体被抑制后，氯化钠的重吸收受到阻碍。一方面，原尿中氯化钠含量增加，使尿液的渗透压升高，从而减少了水的重吸收，导致尿量显著增加。另一方面，由于氯化钠重吸收减少，肾髓质间液的高渗状态无法维持，尿液的浓缩功能受损，进一步促进了利尿作用。

此外，高效利尿药还能影响肾脏的血流动力学。它们可以扩张肾血管，增加肾血流量，尤其是增加肾皮质深部的血流量，这有助于提高肾小球滤过率，也在一定程度上增强了利尿效果。同时，由于Na⁺重吸收减少，到达远曲小管和集合管的Na⁺增多，促进了Na⁺ - K⁺交换，使K⁺的排泄也增加。并且，也会影响Ca²⁺、Mg²⁺等电解质的重吸收，导致这些离子排出增多。总之，高效利尿药通过抑制髓袢升支粗段的Na⁺ - K⁺ - 2Cl⁻同向转运体以及影响肾脏血流动力学等多方面机制发挥强大的利尿作用。