Chimicamente i cannabinoidi sono terpenoidi, cioè molecole  non polari e quindi essi risultano scarsamente solubili in acqua, mentre sono altamente solubili nei grassi.

La concentrazione dei cannabinoidi psicoattivi varia dall'1% al 10% nelle piante e può arrivare fino al 60% nelle resine e negli olii e, tra le varie specie esistenti,  il delta9-Tetraidrocannabinolo è il più abbondante.
 

Nella pianta fresca i cannabinoidi sono molecole debolmente acide; l'essiccamento, l'invecchiamento e il riscaldamento li convertono in forme neutre ed inattive psicoattivamente, ma dal punto di vista farmacologico molto più attive. 

Molti degli effetti dei cannabinoidi sono dovuti alla sua azione nel sistema nervoso centrale: il THC provoca un aumento della liberazione di dopamina, ma l'esatto meccanismo d'azione dei cannabinoidi a livello cerebrale è anch'esso ancora da definire. La molteplicità delle strutture nervose coinvolte (alcune deputate al controllo della motilità volontaria, altre pertinenti alla percezione sensoriale, altre ancora alla attività emozionale), nonchè la approssimatività delle nostre conoscenze sul funzionamento del sistema nervoso, non consentono ancora una soddisfacente comprensione dei meccanismi d'azione.

Il Tetraidrocannabinolo è comunque uno psicostimolante e produce i cosiddetti "effetti"; antinausea, anticinetosico, stimolante l’appetito, antitremore, abbassa la pressione endooculare, antidolorifico ed euforizzante. Se si ossida diventa CBN che in dosi massicce produce disorientamento temporo-spaziale e vertigini. Il contenuto di THC nella marijuana (Cannabis sativa) di buona qualità è nell'ordine di 0.5-1% nelle foglie grandi, 1-3% nelle foglie piccole, 3,7% nei fiori, 5-10% nelle brattee  ( indica una foglia modificata che accompagna fiori e infiorescenze; ha funzioni principalmente protettive del bocciolo floreale.  ) 14-25% nella resina ed oltre il 60% nell'olio. Quantità maggiori di THC sono prodotte da specie selezionate. Il contenuto di THC nelle droghe tende a diminuire con il tempo, un processo accelerato dal calore e dalla luce. Le foglie e la resina di Canapa conservate in condizioni normali perdono rapidamente la loro attività e possono diventare completamente inattive dopo 2 anni. La modificazione principale è l'ossidazione dell'anello cicloesanico che trasforma il THC in CBN. Il THC è più potente se fumato piuttosto che preso per via orale, in quanto la sua volatilità permette un rapido assorbimento ed un effetto immediato. Gli acidi cannabinoidici subiscono decarbossilazione in seguito a riscaldamento e quindi quando la droga viene fumata i livelli di cannabinoidi attivi aumentano, per esempio l'acido tetraidrocannabinolico viene convertito in tetraidrocannabinolo. Rapporti contrastanti sulla tossicità di questa droga probabilmente derivano dalla differente attività farmacologica della droga dovuta alla diversa origine geografica, alla specie ed al tipo di conservazione del materiale proveniente dalla pianta.

Cannabinoidi naturali

Nella Cannabis sativa sono state identificate oltre 400 sostanze chimiche differenti , oltre 60 delle quali appartengono alla famiglia dei cannabinoidi.

Il delta-9-tetraidrocannabinolo (THC) è generalmente considerato il capostipite di questa famiglia di sostanze ed è quello su cui sono state effettuate più ricerche. Purtuttavia non è l'unico principio attivo della Cannabis, che ne contiene molti altri, alcuni dei quali hanno interessanti proprietà terapeutiche.

Tra questi vale la pena in particolare di ricordare il cannabidiolo (CBD). Si tratta di un cannabinoide non-psicoattivo, privo cioè di effetti sul cervello, ma tuttavia in grado di modulare l'azione del THC a livello cerebrale, prolungandone la durata d'azione e limitandone gli effetti collaterali
E' inoltre di per sè dotato di una certa efficacia quale farmaco anticonvulsivante e analgesico.

Delle proprietà di molti altri cannabinoidi,  ancora si sa molto poco, ma non si può escludere che anch'essi contribuiscano a determinare in qualche modo gli effetti terapeutici della Cannabis