O fentanil apresenta início de ação mais rápido (e não mais lento) do que a maioria dos outros agonistas opioides tradicionais (como a morfina), devido à sua alta lipofilicidade, que permite atravessar a barreira hematoencefálica em segundos ou minutos. A depressão respiratória ocorre de maneira dose-dependente nos centros respiratórios do tronco encefálico, mas com uma taxa de supressão ventilatória consideravelmente mais veloz do que a observada com a heroína ou a morfina.