主要有調節下丘腦-垂體-卵巢軸功能，改變血液流變性，抑制血小板聚集，改善微循環，抗炎等作用。
1．對下丘腦-垂體-卵巢軸功能的作用：⑴用生後25日的幼鼠經口服給予本藥，並在同樣條件下，於28日給HMG，可於24小時和72小時後引起兩次排卵．進壹步用戊巴比妥鈉（SP）在幼鼠排卵即刻，相當於釋放內源性促黃體生成素（LH）的臨界期給予SP，能夠阻礙LH的釋放，影響由孕馬血清激素（PMS）誘發的排卵，將HMC、本藥、SP三者結合起來實驗，結果表明本藥可能作用於中樞特別是下丘腦，而使其活化。另有實驗用生後25日幼鼠給予本藥後，在生後第31天可誘發30%雌鼠排卵，於生後第28日腹腔註射15單位人停經促性腺激素（GNR4），可使65%的雌鼠於生後第29日排卵每次，戊巴比妥鈉不能阻斷此作用。GNR4與本藥合用，可使動物排卵兩次，每次於生後第29日（60%），每次於第31日（90%）。戊巴比妥鈉對第每次排卵無影響，但可使第二次排卵時間後延1日。結果說明本藥直接或間接地作用於下丘腦，調節垂體-卵巢功能，加速神經內分泌調節的排卵過程。本藥與煙堿有協同作用，作用於大腦皮質和下丘腦煙堿乙酰膽堿受體和細胞質內的雌激素受體，促進其合成。⑵本方可能是激素的賦活劑，可增加促黃體釋放激素的分泌，與克羅米酚同用有協同作用；能增加體內雌二醇（E2）和孕酮（P）的含量。用放射免疫法測定本藥對功能性子宮出血患者血清中FSH（保卵泡素）、LH（保黃體生成素）、E2（雌二醇）和P（孕酮）的作用，青春期無排卵型病人用藥後以上四種激素含量升高，以E2上升最為明顯，更年期無排卵型病人則E2降低，FSH和LH升高，而育齡期有排卵型病人四種激素均降低，以E2和P降低為顯著。其主要作用可能是通過影響體內E2合成量的雙向調節，從而反饋地影響垂體FSH、LH的釋放。⑶在大鼠垂體前葉細胞培養系中加入本方濃度為500μg/ml時，LH濃度是對照組的377.2%，FSH濃度是對照組的151.9%，而對細胞內LH和FSH無影響。⑷當歸芍藥散明顯刺激粘膜細胞分泌黃體酮和雌二醇-17β，但對睪酮的產生沒有刺激作用；還能顯著刺激濾泡殘余物內的黃體酮、睪酮和雌二醇-17β，對黃體酮的作用強於對單酮和雌二醇-17β的刺激作用。對大鼠黃體生長調節素 C/胰島素樣生長因子-1的濃度有調節作用。⑸在大鼠假孕模型中，本方也能增加黃體酮在卵巢靜脈血漿中的分泌率，明顯增加黃體酮與20α-OH黃體酮的比率。另有研究表明，當歸芍藥散對孕卵著床及幼鼠發育、雌鼠泌乳能力、生殖器官、性周期及雌鼠養育幼鼠的能力等均未見有顯著影響，但可使幼鼠出生率顯著增加，1-5產平均生產率對照組為51%，按0.1%比例將藥物摻入飼料時為60%，摻入1%時為59%。
國外學者曾對當歸芍藥散的構成藥對卵巢機能的綜合效果進行了考察：⑴用PMS-hCG處理大鼠進行活體實驗，單獨或混合口服各藥提取物5日，劑量每日每只大鼠100-200μg，測定血中和卵巢中黃體酮（P）、17α-OHP、20α-OHP的濃度。對茯苓+芍藥+當歸組，其血清中P、17α-OHP均上升，P或17α-OHP/20α-OHP值上升，而單個生藥的血清中的 P/20α-OHP比值並不升；卵巢中，茯苓或芍藥單獨給藥，P/20α-OHP比值上升，單獨給蒼術或茯苓+蒼術，血清、卵巢中P/20α-OHP比值下降。⑵用27日雌性大鼠皮下註射20IU孕馬血清促性腺激素（PMS)56小時後，腹腔內給藥人絨毛膜促性腺激素，7日後摘除卵巢。用當歸芍藥散及其藥味的組合體外培養，發現茯苓+芍藥+澤瀉+當歸、茯苓+當歸、當歸+十川芎等藥對均明顯增加黃體酮的分泌，其水平趨向超過單獨使用當歸芍藥散的水平，提示這種作用有微妙的復合效應。
⒉ 改變血液流變性：本方用於妊娠中毒癥療效較好，而孕婦血液濃縮，血液粘度增高，流動性下降，導致胎盤及各臟器微循環障礙是本病發生的重要原因。本方可使妊娠大鼠血液粘度明顯降低，但對紅細胞變形能力、紅細胞壓積及纖維蛋白原濃度無顯著影響。由於血液粘度降低，可成反比地增加循環血流量，而多數重癥妊娠中毒癥患者血液粘度升高，可見本方上述作用有利於改善患者的胎盤和腎的循環血量，從而改善妊娠中毒癥癥狀。用本方治療功能性子宮出血也有卓效。臨床研究表明，該病患者血液流變性有明顯改變，表現為紅細胞電泳時間顯著延長，血漿比粘度增高，血球壓積降低，提示血液處於粘聚狀態，流動性降低及有形成分減少。經本方治療後可見紅細胞電泳時間明顯縮短，血漿比粘度和血漿滲透壓明顯下降；而對血球壓積和全血比粘度則呈漢相性影響，治療前血瘀氣滯型患者此二指標是高，而血氣兩虛型最低，經治後則分別明顯下降或上升並使血瘀氣滯型者恢復正常。
3．對血小板血凝和纖溶系統的作用：本方對於膠原及ADP所致血小板聚集有明顯的抑制作用，其作用強於桂枝茯苓丸而弱於桃核承氣湯。以活性部分凝血活酶時間（APTT）及凝血酶原時間（PT）測血凝活性，本方的抑制作用較桃核承氣湯及桂枝茯苓丸為強，但用纖維蛋白平板法及優球蛋白溶解時間測之纖溶活性，則本方較上二方為弱。本方抑制血小板聚集、抑制血凝作用及前述增加血液流變性等效果是其緩解血瘀證患者血液的濃、粘、凝、聚等狀態，從而取得對有關疾病療效的藥理基礎。
4．改善微循環：功能性子宮出血患者有甲皺微循環異常，表現為管袢輪廓模糊出現率及異型管袢等增加，微血流速度變慢，血液流態呈斷線、虛線、絮狀流等異常表現，血細胞聚集，管袢瘀血且數目減少。分型可見血氣兩虛型管袢輪廓模糊出現率顯著高於血瘀氣滯型，而管袢數目則明顯少於血瘀氣滯型。經本方治療後可見毛細血管管袢輪廓由模糊變清晰，管袢數目增加，血細胞聚集減輕或消失，血流流態由異常的斷線流、虛線流及絮狀流變為正常的線形流，血流速度由慢變快，管袢瘀血減輕或消失。
5．對腦內單胺類物質的影響：小鼠口服給藥分為每次給藥或反復給藥組（2次/日，2周），用高效液相色譜測定摘出的大腦皮質、紋狀體及海馬的單胺類物質（NE、MHPG、DA、DOPAC、HVA、5-HT、5-HIAA），結果顯示：每次給藥組當劑量為50mg/kg時，海馬的NE下降，DA、DOPAC、HVA上升，大腦皮質及紋狀體的單胺類無變化；當劑量為500mg/kg時，大腦皮質DA、HVA上升，海馬NE、MHPG下降，DA、DOPAC、HVA上升。反復給藥組劑量為50mg/kg時，大腦皮質DA、DOPAC、5-HIAA上升，紋狀體NE、MHPG上升，海馬單胺類無變化；劑量為500mg/kg時，大腦皮質除HVA外均上升，紋狀體NE、MHPG、DA、5-HT上升，海馬單胺類未見變化。
6．其他：本方有明顯的抗炎作用，對大鼠巴豆油性肉芽囊的炎性滲出有顯著的抑制作用，但對棉球肉芽腫的組織增生則無明顯影響。對強的松龍的免疫抑制具有改善效果，能促進PHA的有絲分裂原活性。此外，本藥尚能調整植物神經功能。