Die zentral dämpfende Wirkung von Baldrianwurzelextrakt wurde in pharmakologischen Untersuchungen am Menschen und am Tier nachgewiesen und ist unumstritten. Der zugrundeliegende Mechanismus ist jedoch nicht abschließend geklärt.
Der Neurotransmitter Gammaaminobuttersäure (GABA) entfaltet am GABA-Rezeptor eine reizweiterleitungshemmende Wirkung, da GABA in der Lage ist, Chloridanionen zum Einstrom in die Zelle zu verhelfen, was das postsynaptische Membranpotential entsprechend der Ladung des Chloridions weiter ins Negative laufen lässt. Es kommt damit zur Hyperpolarisation (das Membranpotential liegt im unerregten Zustand im negativen Bereich), was einer Depolarisation der Zelle und damit der Reizweiterleitung zuwiderläuft.
An Synaptosomen wurde in vitro eine verstärkte Ausschüttung und geringere Wiederaufnahme von GABA beobachtet, wenn sie mit Baldrianwurzelextrakt behandelt wurden. Welche Stoffe dafür verantwortlich sind, ist unklar. Diskutiert werden Valerensäure oder Valepotriate, die jedoch nicht stabil sind.
Ein weiterer Wirkmechanismus über A1-Adenosin-Rezeptoren wird diskutiert. Im Baldrianwurzelextrakt enthaltene Lignane wirken in vitro agonistisch an diesen Rezeptoren, können jedoch die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden.
A1-Adenosin-Rezeptoren liegen im ZNS vor und sind an Induktion und Aufrechterhaltung des Schlafes beteiligt.