On trouve la sérotonine dans le cerveau (où elle joue le rôle de neurotransmetteur ou de neuromédiateur) et dans le système digestif. Elle est impliquée dans la régulation de fonctions telles que la thermorégulation, les comportements alimentaires et sexuels, le cycle veille-sommeil, la douleur, l’anxiété ou le contrôle moteur. Plus récemment, des chercheurs du CNRS ont découvert que la sérotonine de la mère jouait un rôle important dans le développement de l'embryon. De même, selon une étude récente, un déséquilibre de sérotonine expliquerait 50 % des cas de mort subite du nourrisson.
L'activité des neurones du raphé est liée au cycle veille-sommeil. Au cours du sommeil, les neurones du raphé sont silencieux et ne libèrent donc pas de sérotonine. Lorsque le sujet est éveillé, les neurones du raphé produisent des potentiels d'action à intervalles très réguliers. La fréquence des influx nerveux est corrélée à l'activité motrice, ce qui suggère que la quantité de sérotonine libérée dans le système nerveux central est augmentée avec l'activité motrice.
Comme la sérotonine joue un rôle important dans les changements d'état émotionnel, on pense que certaines molécules analogues à la sérotonine peuvent modifier ces états émotionnels. Les inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine (des substances qui bloquent la recapture de la sérotonine, par exemple la fluoxétine) réduisent les symptômes liés à la dépression ou aux troubles obsessionnels compulsifs.
Un excès de sérotonine au niveau cérébral, consécutif à la prise de ces médicaments antidépresseurs, peut entraîner un syndrome sérotoninergique qui peut entraîner jusqu'à un coma.