5-羥色胺酸是L-色氨酸通過(guò)脫羧和羥基化產(chǎn)生的。它的數(shù)量和作用受再攝取機(jī)制、反饋回路及代謝酶綜合作用的緊密調(diào)節(jié)。5羥色胺受體分為7個(gè)5-羥色胺（5-HT）家族（5-HT1到 5-HT7），其中一些還有多個(gè)成員（如：5-HT1A，5-HT1B，5-HT1C，5-HT1D，5-HT1E和5-HT1F）。通過(guò)等位基因多態(tài)性、拼接變異體、受體異構(gòu)體以及受體雜二聚體形成，還可以對(duì)這些成員從結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)一步分類。

    5-羥色胺酸能神經(jīng)元主要見(jiàn)于中縫核（位于從中腦到脊髓的腦干）。這個(gè)系統(tǒng)的腹側(cè)末端幫助調(diào)節(jié)蘇醒、情感行為、攝食、體溫調(diào)節(jié)、偏頭痛、嘔吐和性行為。下部腦橋和延髓脊上的神經(jīng)元參與調(diào)節(jié)傷害感受和運(yùn)動(dòng)張力。在外周，5-羥色胺系統(tǒng)幫助調(diào)節(jié)血管張力和胃腸運(yùn)動(dòng)。盡管多方面證據(jù)匯總后表明，5-HT2A受體的激動(dòng)對(duì)5-羥色胺綜合征的發(fā)生起主要作用，但似乎單一受體并不能引起此綜合征的發(fā)生。其他5-羥色胺受體亞型如5-HT1A，可能通過(guò)一種藥效的相互作用促進(jìn)此綜合征的發(fā)生，在此相互作用中，突觸中5-羥色胺激動(dòng)劑濃度的增加使所有受體亞型都發(fā)生飽和。去甲腎上腺素能CNS的機(jī)能亢進(jìn)可能起關(guān)鍵作用，因?yàn)?-羥色胺綜合征中CNS去甲腎上腺素濃度升高的程度可能與臨床結(jié)局相關(guān)。其他神經(jīng)遞質(zhì)，包括N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體拮抗劑和γ-氨基丁酸(GABA)，可能影響此綜合征的發(fā)生，但這些物質(zhì)的確切作用還不很清楚。多巴胺能受體也參與作用，但此相關(guān)性可能緣于藥效的相互作用、5-羥色胺與多巴胺受體之間的直接相互作用、其他機(jī)制或?qū)?-羥色胺綜合征誤診為抗精神病藥物惡性綜合征。