Klonidynę można zaliczyć do leków hipotensyjnych o przeważającym działaniu ośrodkowym. Ma budowę chemiczną zbliżoną do tolazoliny, nafazoliny i leków przeciwhistaminowych. Klonidyna wywiera silne działanie hipotensyjne głównie dzięki wpływowi na ośrodkowy układ nerwowy, działając pobudzająco na receptory energiczne w strukturach pnia mózgu, związanych z regulacją napięcia obwodowego neuronów adrenergicznych. W wyniku tego działania dochodzi do spadku aktywności neuronów współczulnych unerwiających serce i naczynia krwionośne, natomiast aktywność nerwu błędnego zwiększa się. Klonidyna jest także słabym agonistą receptorów, z czym wiąże się prawdopodobnie wstępna faza presyjna po zastosowaniu tego leku. Klonidyna działa także uspokajająco, przypuszczalnie w związku z wpływem na a2-receptory presynaptyczne w ośrodkowym układzie nerwowym, wykazuje również działanie na receptory histaminowe i cholinergiczne, znaczenie tych wpływów jest jednak niejasne. Klonidyna zmniejsza przesączanie kłębkowe i zwiększa zatrzymywanie sodu. Działanie to jest prawdopodobnie odpowiedzialne za szybkie pojawienie się tolerancji wobec działania hipotensyjnego (utrata skuteczności). Tolerancja nie występuje, jeśli równocześnie podaje się tiazydowe leki moczopędne.
