咖啡因發揮作用的精確需求量因人而異，主要取決於體格與耐受性。攝取後1小時內開始作用，適量攝取的話3～4小時效果即會消退。咖啡因攝取僅能暫時減輕睡意，無法縮短必要睡眠時間。過量攝取的風險在於長期大量攝取可能形成藥物依賴，引發「咖啡因中毒」。
咖啡因中毒的生理與心理負面影響包含成癮性、神經過敏、焦躁不安、震顫、肌肉痙攣（反射亢進）、失眠及心悸等（一般而言，攝取咖啡因多以刺激作用為目的，常見於備考學生或夜班工作者服用咖啡因錠劑的情形）。
咖啡因屬黃嘌呤生物鹼化合物，作為中樞神經興奮劑能暫時驅散睡意並恢復精力。含咖啡因的咖啡、紅茶、軟性飲料及能量飲料普及全球，咖啡因亦是世上最常用的精神活性物質。
北美地區有90%成人每日攝取咖啡因。
多數天然咖啡因來源同時含有多種黃嘌呤生物鹼，例如強心劑茶鹼、古柯鹼及單寧酸等物質。
現已證實咖啡因特殊成分對人體生理作用如下：能有效對抗危害健康的活性氧（自由基）。此類物質是心肌病變、動脈硬化、腦中風、肺氣腫及帕金森氏症等多種疾病的主因。過量活性氧會干擾身體代謝、損傷細胞，進而危害器官組織。
心血管保護功能：咖啡因富含高濃度多酚化合物。此類化合物具強效抗氧化特性，能將低密度脂蛋白氧化時間延遲達三倍，並溶解血栓、阻斷其形成。同時促進血管收縮，預防因血管擴張引發的頭痛。此外，適量咖啡可增強心肌收縮能力，透過促進血液循環發揮心血管疾病預防功效。