Le chlorure de suxaméthonium est un ammonium quaternaire composé de deux molécules d'acétylcholine réunies. Les effets neuromusculaires sont pratiquement identiques à ceux de l'acétylcholine, mais le chlorure de suxaméthonium a un effet plus prolongé. Le chlorure de suxaméthonium réagit avec les récepteurs nicotiniques, ouvre les canaux et dépolarise les plaques motrices et les structures membranaires voisines, ce qui produit une contraction générale et anarchique des unités musculaires (bloc de phase I). Les inhibiteurs de cholinestérase (physostigmine et néostigmine) augmentent les blocages de phase I.
Le chlorure de suxaméthonium n'étant pas dégradé par les acétylcholinestérases, la dépolarisation se prolonge et les membranes deviennent non réceptives aux nouvelles impulsions. On obtient ainsi une paralysie musculaire atone. C'est en cela que le mode d'action diffère des autres curares, qui au contraire inhibent la dépolarisation.
L'effet du chlorure de suxaméthonium est généralement de courte durée. Sous un apport prolongé de chlorure de suxaméthonium, la dépolarisation initiale des plaques motrices décroît, et il se produit une repolarisation des membranes, ce qui ressemble à un blocage compétitif. L'acétylcholine ne peut donc pas dépolariser les membranes tant que le chlorure de suxaméthonium reste présent (bloc de phase II).
L'administration de chlorure de suxaméthonium donne fréquemment, après 20 à 30 secondes, une augmentation passagère de la pression intra-oculaire, reposant en partie sur la contraction de la musculature entourant l'œil. Cet accroissement de la pression oculaire est toutefois moins important que celui qui se produit par la simple intubation trachéale.
Le métabolite succinylmonocholine exerce un léger effet de relaxation musculaire de nature compétitive.
