O lítio apresenta um mecanismo de acção muito complexo e que ainda não está totalmente esclarecido. Até agora, sabe-se que tem influência ao nível da:

​

• Transmissão glutaminérgica neuronal;
• Factor neurotrófico derivado do cérebro (BDNF);
• Proteína neuroprotectora (Bcl-2);
• Inositol monofosfatase (IMPase);
• Proteína cínase C (PKC);
• Cínase de serina/treonina (GSK-3).
   

Nas alterações de humor, tanto as cascatas de sinalização intracelular como a neurotransmissão glutaminérgica são alteradas. A actuação do lítio neste último caso promove um aumento da excitabilidade pré-sináptica, da eficiência sináptica e do potencial excitatório pós-sináptico ao nível do hipocampo. Este é o componente chave da rede do sistema límbico e está envolvido na regulação emocional, actividade cognitiva e memória. Já na primeira situação, o lítio promove um aumento tanto do BDNF como da Bcl-2, importantes na plasticidade neural e sináptica. A Bcl-2, neutraliza os efeitos nocivos do stress sobre os neurónios e controla a dinâmica intracelular do cálcio que se encontra geralmente alterada em problemas de humor. O BDNF, para além do seu efeito neurotrófico desempenha um papel importante na regulação da plasticidade sináptica e na potenciação da sinapse. [3]
 

A inibição da IMPase impede a regeneração do fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP2) e por consequência do diacilglicerol (DAG). Sendo que este último é importante para a activação do PKC, regulador dos aspectos da neurotransmissão pré e pós sináptica. [4]
 

A GSK-3 é inibida tanto pelo lítio como pelo PKC, permitindo a atuação da β-catenina, importante componente na consolidação da memória. Para além disso, esta inibição influencia directamente a transcrição de genes (para a síntese de BDNF e Bcl-2), efeitos anti-apoptóticos e promove a estabilidade celular. [4]