河豚毒素是細胞膜鈉離子通道的選擇性阻斷劑。細胞膜鈉離子通道阻斷導致細胞膜去極化，特異性幹擾神經-肌肉傳導過程。體外實驗表明，河豚毒素對細胞膜的某些部分有非常強的親和力。即使在非常稀的溶液(10–8m)中，也只有幾十個分子吸附在細胞膜表面，可以完全暫時阻止鈉離子流滲入細胞膜。鈉離子流是神經肌肉興奮所必需的，但穩定的鉀離子流(對靜態膜很重要)完全不受影響。有證據表明，河豚毒素的胍基在阻斷鈉離子通道中起決定性作用。深入研究表明，河豚毒素對細胞膜的作用過程不是簡單的“分子嵌塞”，而是河豚毒素與細胞膜上特定受體的結合。然後通過關閉機制關閉通道，河豚毒素作用於毒素受體(RTOX)，可關閉H門，阻斷鈉離子通過細胞膜，使細胞膜失去極化狀態，從而抑制甚至阻斷神經-肌肉傳導過程，導致神經肌肉活動障礙，嚴重時可出現癱瘓。類似箭毒的作用，最後可引起呼吸中樞麻痹停止呼吸，血管中樞麻痹，血壓下降，脈搏變慢。最終死於呼吸停止和循環衰竭。
河豚毒素中毒主要表現為神經中樞和神經末梢麻痹。壹般來說，先感覺神經麻痹，再運動神經麻痹，使四肢無力甚至無法運動。血管中樞麻痹導致血壓下降，脈搏變慢。呼吸中樞麻痹導致呼吸停止和死亡。此外，河豚毒素還可作用於胃腸粘膜，引起急性胃腸炎癥狀。並能抑制去甲腎上腺素的釋放。
河豚毒素是神經細胞膜藥物研究的標準工具，臨床上用於治療各種神經肌肉疼痛、外傷和癌痛、胃腸和破傷風痙攣。也用於局麻藥和神經性漢森病。