Patofisiologi tobacco use disorder berhubungan dengan interaksi antara nikotin dan reseptor kolinergik nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) yang menyebabkan pelepasan neurotransmiter lain termasuk dopamine, norepinefrin, dan serotonin. [2–4]

Nikotin akan dengan cepat diserap melalui saluran pernapasan dan menyebabkan pelepasan neurotransmiter. Neurotransmiter yang dilepaskan, khususnya dopamine dan serotonin, akan menimbulkan perasaan tenang dan rileks. Namun, nikotin akan dengan cepat dimetabolisme oleh hepar sehingga perokok akan mengalami gejala putus zat beberapa saat setelah merokok.  [2]

Setelah paparan berulang dengan nikotin, agar terjadi upregulasi nAChRs sehingga terjadi desensitisasi respon nikotin. Akibatnya, untuk memperoleh efek yang sama dibutuhkan nikotin dalam dosis yang lebih besar lagi, sehingga berkembang menjadi ketergantungan. [4]