当吸烟者点燃一支烟，开始吸烟的时候，烟草中的尼古丁被高温蒸馏出来，被吸烟者吸入，进入肺部，在肺部进行交换，从而进入血液，在全身快速分布。这时在吸烟者会产生一种放松与松弛感，同时可能感觉到心跳加快，这些都是尼古丁的外周神经作用。
尼古丁发挥其作用于心血管、呼吸系统、骨骼运动系统和胃肠道，是通过刺激外周的胆碱能神经元，通过传入化学感受器和自主神经系统的神经节。因此，交感与副交感神经节都被烟草中不同浓度的尼古丁刺激，最终的作用取决于自主神经节的刺激或是反射作用。由此产生的周边一般生理变化类似于交感神经系统(SNS)兴奋，但也存在一些尼古丁和吸烟的影响，导致生理上的放松。例如，在吸烟之后，马上心跳加速、血压上升。
尼古丁具有四肢远端皮肤收缩的作用。气管的一些感受器能够感受到尼古丁，产生一种愉悦的感觉，与之相反的，尼古丁能够松弛动物和人体的骨骼肌，但也能引起其他一些肌肉的紧张。小剂量的尼古丁能够刺激外周化学受体从而起到增强呼吸功能的作用，然而，高剂量的尼古丁会导致呼吸衰竭。尼古丁对骨骼肌的松弛作用是导致烟草习惯性使用和上瘾的重要原因之一。
大脑中尼古丁受体根据亲和力分为三种：极高亲和力、高亲和力和低亲和力。这些受体与外周在神经节与骨骼肌的受体不一样。
通过采用同位素标记的尼古丁，研究者对实验鼠大脑的尼古丁受体进行了研究，发现标记尼古丁集中在大脑的脚间核和内侧缰核。对大脑代谢的研究，也发现了尼古丁起作用的关键性受体。研究者发现，尼古丁刺激脑葡萄糖利用率(LCGU)增加139%，控制在内侧缰核和50%-100%丘和前腹侧丘脑和脚间核的葡萄糖代谢。其他区域没有显著性的改变。这些效果能够被尼古丁受体的阻断剂所阻断。
受体显示出葡萄糖利用率的提升，这样的受体才是具有功能性的尼古丁受体。当尼古丁的结合增加了葡萄糖的利用，这些区域就可能是尼古丁发挥作用的地方。
皮下注射尼古丁刺激大脑某些区域的葡萄糖利用率提升，这些区域包括视觉边缘和运动系统，皮下注射尼古丁引起的应对区域集中在内侧缰核。显著性的增加脑葡萄糖利用率(LCGU)的区域有，丘脑前腹侧核、脚间核和上丘脑，中等程度增加脑葡萄糖利用率(LCGU)的区域有，大脑的皮层、丘脑核、外侧膝状体，和腹侧被盖区，无显著性增加脑葡萄糖利用率(LCGU)的区域有，额顶叶皮层外侧缰核，或中央灰质。
尼古丁对神经系统有复杂的作用，尼古丁不仅仅作用于外周神经系统，产生一种松弛与舒服的感觉，也作用于中枢精神系统，产生复杂的生理效应。因此，尼古丁是香烟中最重要的生理活性物质，是香烟成瘾的根本原因。