Se ha dedicado una gran cantidad de estudios al entendimiento de cómo la cocaína produce sus efectos placenteros, y la razón por la cual es tan adictiva. Un mecanismo es a través de sus efectos profundos en el cerebro. Los científicos han descubierto regiones en el cerebro que, cuando son estimuladas, producen sensaciones de placer. El sistema neural que parece ser mas afectado por la cocaína se origina en una región, ubicada en un lugar profundo del cerebro, que se llama área ventral tegmental (VTA). Las células nerviosas originadas en el VTA se extienden a la región del cerebro conocida como núcleo accumbens, uno de los centros claves  de placer en el cerebro. En estudios realizados en animales, por ejemplo, todos los tipos de estimulo placentero, tales como la comida, el agua, el sexo y muchas drogas de abuso, causan incremento en la actividad del núcleo accumbens.

La cocaína en el cerebro – en el proceso normal de comunicación, la dopamina se libera por una neurona en el sinapsis, donde puede unirse con receptores dedopamina en las neuronas vecinas. Normalmente, la dopamina entonces se recicla de nuevo en las neuronas transmisoras mediante una proteína especial llamada transportadora de dopamina. Si hay cocaína presente, se adjunta a la transportadora de dopamina y bloquea el proceso normal de reciclaje, resultando en una acumulación de dopamina en el sinapsis, lo cual contribuye a los efectos placenteros de la cocaína.

Los investigadores han descubierto que cuando ocurre un evento placentero, este esta acompañado por un gran aumento en las cantidades de dopamina emitidas en el nucleus accumbens por las neuronas originadas en el VTA. En el proceso normal de comunicación, la dopamina se emite por una neurona en la sinapsis (el pequeño espacio entre dos neuronas), donde se une con proteínas especializadas (llamadas receptores de dopamina) en las neuronas vecinas, enviando así una señal a esa neurona. Las drogas pueden interferir este proceso normal de comunicación. Por ejemplo, los científicos han descubierto que la cocaína bloquea la eliminación de dopamina de la sipnasis resultando en la acumulación de dopamina. Esta acumulación causa estimulación continua de las neuronas receptores, probablemente resultando en la euforia comúnmente reportada por los usuarios que abusan de la cocaína.

La tolerancia se desarrolla con frecuencia conforme continúa el abuso. Esto significa que se necesita una dosis más fuerte y más seguida para que el cerebro pueda registrar el mismo nivel de placer experimentando durante el uso inicial. Estudios recientes indican que durante periodos de abstinencia, el recuerdo de la euforia asociada con el uso de la cocaína, o la mera exposición a alguna señal que traiga recuerdos del uso de la droga, puede desatar el antojo o deseo tremendo para consumir cocaína, y sufrir una recaída, aun después de largos periodos de abstinencia.