作用机制，亦称为作用机理（Mechanism of action (MOA)），在药理学和毒理学中是指一个特定分子（如药物分子、毒物分子）在分子层面上发挥特定药理或毒理作用的机理。一般而言，特定分子的作用机制通常是与酶、受体等生物大分子发生相互作用。
“作用方式”（Mode of action (MoA)）是一个与作用机制相似的术语。作用方式与作用机制的区别在于，作用方式是指特定分子在细胞层面发挥作用的机理，而作用机制是指特定分子在分子层面发挥作用的机理。
阐明药物的作用机制有助于药物毒理学和安全性的评估。例如，以细胞膜和电子传递链为靶点的抗感染药物：副作用就更可能比以β-葡聚糖、肽聚糖等细菌细胞壁成分以及原核生物的70S核糖体具有更强的副作用。这是因为人体细胞无细胞壁结构；人作为真核生物，核糖体的沉降系数是80S，与细菌的70S核糖体在结构上有显著区别，但细胞膜的结构以及电子传递链的组成却与原核生物有相似性。
新的药物作用机制的发现，能使已获批的药物得到新的应用。例如，西地那非本来是一种治疗勃起功能障碍的药物。西地那非能抑制PDE-5（英语：cGMP-specific phosphodiesterase type 5）这一作用机制的发现，使得这一药物也能用于肺动脉高压的治疗中。
药物作用机制的阐明，对药物剂量的确定也有帮助。斯达汀的用量就是通过病人血液中的胆固醇浓度确定的。对靶向药物而言，阐明的药物作用机制相当重要。例如，治疗乳腺癌的单抗类药物曲妥珠单抗以HER2为靶点。知道该药物这一作用机制后，结合对乳腺肿瘤组织的病理学诊断，就能确定这一药物是否能对特定病人起效。另外，联合疗法常常需选用数种作用机制不同、作用于不同靶点的药物。确定不同药物的作用机制，能帮助确定哪些药物能组合用于联合疗法中。
根据一些细胞水平上的变化，可以推测出特定分子在分子水平上的作用机制。比如，进行抗生素处理后，如果细菌变成了原生质球，可推定抗生素的作用机制是抑制肽聚糖或β-葡聚糖等细菌细胞壁成分的合成。如果细菌形成了丝状体，那么可以推测抗生素的靶点是细菌的DNA或FtsZ蛋白。如果肿瘤细胞经过化疗药物处理后，如果能在显微镜下观察到小疱（英语：Bleb_(cell_biology)）结构的形成，可推测这种化疗药物的靶点是肿瘤细胞的细胞膜。这种方法比较耗费时间和人力，不过现在一些软件能帮助提高显微镜观察方法的效率。
可以通过亲和纯化的方法，确认所有能和药物或毒物分子发生相互作用的生物分子，进而推测出药物的作用机制。此外，也可以使特定分子带上标记的方法找出该分子的作用靶点。通过建模的方法，利用计算机生成特定分子与生物大分子的作用模型也可以推测出这种分子的作用靶点和作用机制。
特定分子的作用机制可以通过基因组学、转录组学的分析方法间接确认。如果敲除或使用RNA干扰的方法敲低某个基因后，细胞或组织基因表达或表型的变化与经过某种药物处理后相似，那么可以推定这种药物的作用机制就是通过抑制这些蛋白的功能实现的。
