Die genaue neurochemische Wirkung von LSD ist noch nicht genau erforscht. Bekannt ist aber, dass LSD auf den Neurotransmitter Serotonin einwirkt, der unter anderem Einfluss auf unsere Stimmung, die Nahrungsaufnahme, den Schlafrhythmus und die Schmerzempfindung hat. Serotonin hat aber auch eine grosse Funktion im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Sinneseindrücken. Durch die Beinflussung der Serotoninkreislaufs hat LSD daher wiederum eine grosse Auswirkung auf die menschliche Wahrnehmung.

• Steigerung der Wahrnehmungsintensität: LSD beeinflusst den Wahrnehmungsfilter des Hirnstamms. Diese ebenfalls mit serotoninergen Neuronen in Verbindung stehenden Filter verlieren ihre Wirkung, wenn sie durch LSD beeinflusst werden. Einfach ausgedrückt verringert Serotonin die Frequenz der Reize, die unser Hirn erreichen. Nur die für das Überleben wichtigen Sinneseindrücke können so in das Bewusstsein vordringen, und eine Reizüberflutung wird verhindert. LSD hebt diese Reizhemmung durch das Serotonin auf, so dass eine Flut neuer Eindrücke in das Bewusstsein dringt.
• Synthese der Sinnesmodalitäten: LSD verknüpft verschiedene Sinneseindrücke (Synästhesie) - man sieht Klänge, man riecht, was man sieht. Diese Wirkung geht vermutlich auf die Beeinflussung des Thalamus zurück, der für diese Synthese der Sinnesmodalitäten verantwortlich ist.
• Störung der Zeitwahrnehmung: LSD täuscht gewissen Teilen des Zentralnervensystems vor, dass sich der Körper im Schlafzustand befindet. Dadurch wird die Zeitwahrnehmung stark gestört. Die Körpertemperatur und die Blutdruckwerte entsprechen während eines LSD- Rauschs den Werten des normalen Schlafzustandes.

Unter LSD-Einfluss, also während des so genannten «Trips», werden das Selbstbewusstein und die Fähigkeit zu komplexeren Denkvorgängen in der Regel nicht beeinträchtigt. «Trips» dauern meist mehrere Stunden, in Einzelfällen sogar bis zu vier Tagen. Schon bei einmaligem Konsum kann LSD eine schwere Psychose auslösen («auf dem Trip hängen geblieben»). Es kommt vor, dass die von einer Drogenpsychose Betroffenen unfähig werden, ihr Leben ohne fremde Hilfe zu bewältigen.