Barbiturany zmniejszają tempo metabolizmu tkanki mózgowej, a także mózgowy przepływ krwi. W wyniku tych redukcji naczynia krwionośne w mózgu zwężają się, zmniejszając ilość zajmowanej przez mózg przestrzeni, a tym samym ciśnienie wewnątrzczaszkowe. Istnieje nadzieja, że wraz z ustąpieniem obrzęku ciśnienie spada, a niektóre lub wszystkie uszkodzenia mózgu można zapobiec. Kilka badań potwierdziło tę teorię, wykazując zmniejszoną śmiertelność podczas leczenia opornego na leczenie nadciśnienia wewnątrzczaszkowego ze śpiączką barbituranową.
Około 60% glukozy i tlenu wykorzystywanych przez mózg jest przeznaczone na jego aktywność elektryczną, a reszta dla wszystkich inne czynności, takie jak metabolizm. Kiedy barbiturany podawane są pacjentom z uszkodzeniem mózgu z powodu śpiączki indukowanej, działają one poprzez zmniejszenie aktywności elektrycznej mózgu, co zmniejsza zapotrzebowanie metaboliczne i tlenowe. Szybkość wlewu barbituranów zwiększa się pod kontrolą elektroencefalografii, aż do osiągnięcia tłumienia wyładowań lub korowej ciszy elektrycznej (izoelektryczna „płaska linia”). Po poprawie ogólnego stanu pacjenta barbiturany są stopniowo wycofywane, a pacjent odzyskuje przytomność.
Istnieją kontrowersje co do korzyści płynących ze stosowania barbituranów do kontrolowania nadciśnienia wewnątrzczaszkowego. Niektóre badania wykazały, że barbiturany- śpiączka indukowana może zmniejszyć nadciśnienie wewnątrzczaszkowe, ale niekoniecznie zapobiega uszkodzeniu mózgu. Ponadto zmniejszenie nadciśnienia wewnątrzczaszkowego może nie zostać utrzymane. W niektórych badaniach z randomizacją nie udało się wykazać żadnego wpływu na przeżycie lub chorobowość wywołanej śpiączką w różnych stanach, takich jak operacje neurochirurgiczne, uraz, pęknięcie tętniaka wewnątrzczaszkowego, krwotok wewnątrzczaszkowy, udar niedokrwienny i stan padaczkowy. Jeśli pacjent przeżyje, po wyjściu ze śpiączki mogą również wystąpić zaburzenia poznawcze.