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硫酸沙丁胺醇是高选择性短效β₂肾上腺素受体激动剂，核心作用靶点为气道平滑肌、气道相关炎性细胞上的β₂受体，通过信号通路传导实现支气管舒张、抑制过敏介质释放等多重药理效应，具体作用机制如下。
药物经吸入、口服或注射进入体内后，优先结合支气管平滑肌细胞膜上的β₂肾上腺素能受体。该受体属于G蛋白偶联受体，药物与受体特异性结合后，激活胞内兴奋性G蛋白，进而催化细胞膜上的腺苷酸环化酶活化。活化的腺苷酸环化酶会促使细胞内三磷酸腺苷（ATP）转化为环磷酸腺苷（cAMP），使胞内cAMP浓度显著升高。
高浓度cAMP可激活蛋白激酶A，一方面降低平滑肌细胞内钙离子浓度，抑制肌球蛋白与肌动蛋白的结合，松弛处于收缩状态的支气管平滑肌，快速解除气道痉挛，改善喘息、胸闷、通气受阻等症状。另一方面，cAMP可降低平滑肌细胞膜的兴奋性，减弱气道对外界刺激的收缩反应，减少痉挛反复发生。
除舒张气道外，本品可作用于肥大细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞等炎性免疫细胞上的β₂受体。通过同样的cAMP信号通路，稳定炎性细胞膜，抑制细胞脱颗粒，减少组胺、白三烯、前列腺素等过敏与致炎介质释放，减轻气道黏膜水肿、渗出，缓解气道高反应性，起到辅助抗炎效果。
同时，药物能增强气道黏膜纤毛上皮的摆动频率与输送能力，加速气道内痰液、分泌物向外排出，疏通气道，进一步改善通气功能。此外，少量药物进入血液循环后，可作用于血管平滑肌β₂受体，轻度扩张外周血管；因对心脏β₁受体亲和力极低，常规剂量下几乎不会明显加快心率、增强心肌收缩力，心血管不良反应远低于非选择性β受体激动剂。
长期或过量用药时，持续激动β₂受体会导致受体数量下调、敏感性下降，产生药物耐受性，表现为药效减弱，需增加剂量才能达到原有效果。大剂量使用还会影响细胞内外钾离子转运，促使钾离子向细胞内转移，引发血清钾降低，这也是其重要的药理衍生反应。
整体来看，硫酸沙丁胺醇以β₂受体-cAMP信号通路为核心，同步实现支气管舒张、稳定炎性细胞、促进排痰三大作用，起效迅速、靶向性强，是缓解气道痉挛的经典药物。