tDCS可以改变神经元的静息电位，当经颅直流电的阴极靠近神经细胞胞体或树突时，静息电位会升高，神经元放电减弱，产生超极化，从而抑制细胞的活性 ；反之，则发生去极化，从而激活细胞的活性。

改变膜电位的极性，改变皮层兴奋性；调节突触的微环境，增加突触可塑性；改变NMDA受体（学习、记忆过程中至关重要的受体）或GABA（调节情绪）的活性，对皮质兴奋/抑制平衡的影响；改变局部脑血流；对局部皮层和脑网联系的调节。

即时效应：当阳极刺激人体区域后，区域性的脑血流量增加17.1%，当刺激停止时，血流量恢复到基线水平。阴极刺激时诱导较小的血流量增加大约为5.6%，停止刺激后血流量与基线比较显著降低。

如果刺激时间持续足够长，刺激结束后皮质兴奋性的改变可持续达1h。如tDCS刺激5分钟，后续效应能维持15分钟。tDCS刺激7分钟，后续效应能维持30分钟。tDCS刺激9分钟，后续效应能维持60分钟。tDCS的后效应机制类似于突触的长时程易化，动物研究发现，以阳极刺激作用于运动皮层可观察到突触后兴奋性电位的持续增加。皮层兴奋性的调节在tDCS刺激时依赖膜极化的水平，而刺激结束后的后效应作用主要是由于皮层内突触的活动。