Прегабалин није агонист ГАБАА или ГАБАБ рецептора.
Прегабалин је габапентиноид и делује тако што инхибира одређене калцијумове канале. Конкретно, то је лиганд помоћног места α2δ подјединице одређених напонско зависних калцијумских канала (ВДЦЦ), и на тај начин делује као инхибитор ВДЦЦ-а који садрже α2δ подјединицу. Постоје две α2δ подјединице које се везују за лек, α2δ-1 и α2δ-2, а прегабалин показује сличан афинитет за (и стога недостатак селективности између) ова два места. Прегабалин је селективан у везивању за α2δ ВДЦЦ подјединицу. Упркос чињеници да је прегабалин аналог ГАБА, он се не везује за ГАБА рецепторе, не претвара се у ГАБА или други агонист ГАБА рецептора ин виво, и не модулира директно ГАБА транспорт или метаболизам. Међутим, откривено је да прегабалин производи дозно-зависно повећање мождане експресије Л-глутаминске киселине декарбоксилазе (ГАД), ензима одговорног за синтезу ГАБА, и стога може имати неке индиректне ГАБАергичне ефекте повећањем нивоа ГАБА у мозгу. Тренутно нема доказа да су ефекти прегабалина посредовани било којим другим механизмом осим инхибицијом ВДЦЦ-а који садрже α2δ. У складу са тим, чини се да је инхибиција ВДЦЦ-а који садрже α2δ-1 од стране прегабалина одговорна за његове антиконвулзивне, аналгетичке и анксиолитичке ефекте.
Ендогене α-амино киселине Л-леуцин и Л-изолеуцин, које по хемијској структури веома подсећају на прегабалин и друге габапентиноиде, су очигледни лиганди α2δ ВДЦЦ подјединице са сличним афинитетом као габапентиноиди (нпр. ИЦ50 = 71 нМ изолеуцин) и присутни су код људи цереброспинална течност у микромоларним концентрацијама (нпр. 12,9 μМ за Л-леуцин, 4,8 μМ за Л-изолеуцин). Претпоставља се да они могу бити ендогени лиганди подјединице и да могу компетитивно антагонизовати ефекте габапентиноида. У складу са тим, док габапентиноиди као што су прегабалин и габапентин имају наномоларне афинитете за α2δ подјединицу, њихове потенције ин виво су у ниском микромоларном опсегу, а за ово одступање је вероватно одговорна конкуренција за везивање ендогених Л-амино киселина.

У једној студији је откривено да прегабалин поседује 6 пута већи афинитет од габапентина за ВДЦЦ који садрже α2δ подјединицу. Међутим, друга студија је открила да прегабалин и габапентин имају сличне афинитете за људску рекомбинантну α2δ-1 подјединицу (Ки = 32 нМ и 40 нМ, респективно). У сваком случају, прегабалин је 2 до 4 пута јачи од габапентина као аналгетик, а код животиња се чини да је 3 до 10 пута јачи од габапентина као антиконвулзива.