Kofeina może poprawiać zdolność wysiłkową na drodze różnych mechanizmów. Kofeina posiada działanie aktywujące ośrodkowy układ nerwowy, dzięki czemu zwiększa stan pobudzenia i koncentracji. Jednocześnie, zwiększając wydzielanie adrenaliny z nadnerczy usprawnia pracę serca i układu krążenia oraz poprawia wykorzystanie kwasów tłuszczowych kosztem utraty glikogenu i białek mięśniowych. Ten ostatni mechanizm ma szczególne znaczenie podczas wysiłków wytrzymałościowych o długim czasie trwania. Kofeina pobudza także uwalnianie jonów wapnia z tzw. siateczki śródplazmatycznej, co aktywuje proces rozpadu cząsteczek energetycznych ATP. Dzięki tej reakcji mięsień w bardzo szybkim tempie zostaje pobudzony do skurczu. Jest to szczególnie istotne dla zawodników dyscyplin trenujących siłę i szybkość.