尼古丁不仅对外周神经内分泌系统有作用，也对神经内分泌系统有作用。早在1900年研究者就发现尼古丁能够刺激自主神经节，引起释放肾上腺儿茶酚胺。尼古丁被认为是烟草中的活性药物并且吸烟导致了神经内分泌功能的改变。
尼古丁在外围自主神经和躯体神经肌肉节在低剂量下是一种胆碱能受体激动剂，在高剂量下成为拮抗剂。尼古丁在大脑皮层释放乙酰胆碱。尼古丁还能对儿茶酚胺和血清素的释放进行调节。
在1988年卫生美国总署的报告中，相关的研究表明尼古丁促进肾上腺素及儿茶酚胺的释放也导致血清肾上腺素浓度的提升。尼古丁对很多神经元同时起作用，虽然，可能是使其中的一些受体激活，而使另外的一些受体失活。尼古丁对大脑的海马区产生区分性的刺激。有研究发现，急性剂量的尼古丁能够使五羟色胺的产量减少。除了研究尼古丁调节五羟色胺外，研究者还注意到了尼古丁对五羟色胺和神经内分泌的功能的影响，研究中发现，尼古丁能够释放血浆皮质酮，暗示其对垂体肾上腺轴的激活。
尼古丁能够对儿茶酚胺能神经元起作用，研究发现尼古丁是一种有效的激活DA和NE的神经元主要位于下丘脑正中隆起和领域的系统。尼古丁还能刺激垂体激素分泌前后垂体激素。研究中，受试者快速吸尼古丁含量高的香烟2支，随后检查发现血浆中催乳素、垂体促肾上腺皮质激素、生长素、血管加压素、神经激素结合肽的浓度增加。
烟草中尼古丁对神经内分泌的作用广泛而深刻，其影响导致了尼古丁的成瘾耐受，其中有些机制目前还不是十分清楚。
尼古丁具有以相当广泛的生理活性，当人们吸烟的时候，必然出现由于尼古丁生理活性所表现出来的与其他毒品相似的人体使用后出现的共同的特征与症状。