A vortioxetina actua de várias formas. Ao ligar-se ao recetor da serotonina, bloqueia a recaptação da serotonina e a concentração de serotonina no sistema nervoso central aumenta. Actua também como agonista parcial do recetor 5-HT1B, como agonista do 5-HT1A e como antagonista dos receptores 5-HT3, 5-HT1D e 5-HT7. A ligação a estes receptores resulta nos efeitos de vários neurotransmissores. Estes incluem a noradrenalina, a dopamina, a acetilcolina, a histamina, o glutamato e o GABA.
A vortioxetina é um substrato da isoenzima CYP450 e é metabolizada (convertida) no fígado por várias enzimas CYP (principalmente pela CYP2D6). A biodisponibilidade, ou seja, a percentagem do ingrediente ativo que está disponível no sangue, é de 75%. Os alimentos não parecem ter qualquer influência na biodisponibilidade. A semi-vida, ou seja, o tempo que o organismo necessita para excretar metade do ingrediente ativo, é de cerca de 66 horas. A concentração plasmática máxima (Cmax), ou seja, a concentração máxima da substância ativa no plasma sanguíneo (parte líquida sem células do sangue), é atingida após cerca de 7 a 11 horas.