e' un'antagonista competitivo non specifico degli alfa-adrenorecettori: nel senso che blocca sia gli alfa1 che i recettori alfa 2 oltre a bloccare i recettori per la serotonina e causare degranulazione dei mastociti.. Alle dosi utilizzate per via endovenosa nel trattamento dell'ipertensione il meccanismo d'azione predominante è rappresentato da un'azione diretta sulla muscolatura liscia, con conseguente rilassamento.

La fentolamina è stata comparata alla papaverina circa gli effetti sul circolo penieno. Entrambi i farmaci provocano una riduzione delle resistenze arteriose, mentre la fentolamina, al contrario della papaverina, non determina un incremento delle resistenze venose. Se iniettata da sola nei corpi cavernosi provoca solo tumescenza, mentre se associata con papaverina provoca erezione. L'emivita della fentolamina è alquanto breve (30 minuti).

E' noto come la somministrazione endovenosa di fentolamina provochi tachicardia ed ipotensione ortostatica. Raramente avvengono aritmie cardiache o angina pectoris, mentre tale farmaco può provocare una stimolazione gastrointestinale che si manifesta con dolore addominale, nausea, vomito e diarrea. Tali effetti collaterali avvengono raramente con la somministrazione intracavernosa.