Vilanterol werkt door te binden aan de bèta-2 adrenoceptoren. Het werkt zeer specifiek en ook zeer lang. De binding van vilanterol aan de bèta-2-adrenoceptoren stimuleert intracellulair adenylylcyclase, dat op zijn beurt adenosinetrifosfaat (ATP) omzet in cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP). Dit verhoogt de cAMP-concentratie en leidt tot ontspanning van de bronchiale gladde spier en dus tot een verbetering van de symptomen. Bovendien wordt het vrijkomen van mestcelmediatoren, die verantwoordelijk zijn voor overgevoeligheidsreacties, geremd. Het effect treedt zeer snel op, al na 5-15 minuten, en houdt ongeveer 24 uur aan.
De biologische beschikbaarheid van vilanterol, d.w.z. het percentage van de werkzame stof dat beschikbaar is in het bloed, is ongeveer 27%.
De halfwaardetijd, d.w.z. de tijd die het lichaam nodig heeft om de helft van de werkzame stof uit te scheiden, is 11-20 uur, afhankelijk van de dosering van de werkzame stof. De maximale plasmaconcentratie (Cmax), d.w.z. de maximale concentratie van de werkzame stof in het bloedplasma (vloeibaar celvrij deel van het bloed), wordt na 5-15 minuten bereikt.
Vilanterol wordt in de lever afgebroken door de CYP3A4-enzymen en uitgescheiden via de urine en de feces.