A Ondansetrona é um potente antagonista, altamente seletivo, dos receptores 5-HT3 da 5-hidroxitriptamina. Age como antiemético e antinauseante, mas seu preciso mecanismo de ação no controle da náusea e vômito ainda não é bem conhecido. Os agentes quimioterápicos e a radioterapia podem causar liberação de 5-hidroxitriptamina no intestino delgado, iniciando reflexo de vômito pela ativação dos aferentes vagais nos receptores 5-HT3. A Ondansetrona inibe a excitação da fibra vagal aferente induzida pela 5-hidroxitriptamina na mucosa intestinal bloqueando o início deste reflexo.
A ativação dos aferentes vagais pode também causar uma liberação de 5-hidroxitriptamina na área postrema, localizada na parte inferior do quarto ventrículo, e isso pode também promover emese através de mecanismo central. Deste modo, o efeito da Ondansetrona no controle da náusea e do vômito seria devido ao antagonismo dos receptores 5-HT3, tanto no sistema nervoso periférico quanto no sistema nervoso central.
Nos testes psicomotores, a Ondansetrona não prejudicou a performance nem causou sedação. O fármaco não altera as concentrações de prolactina sérica.