En inhibant les récepteurs cholinergiques muscariniques, l'atropine diminue le tonus du parasympathique, si bien que l'influence du sympathique devient prépondérante.
Au niveau périphérique, elle induit surtout des effets parasympatholytiques. Ainsi, à dose thérapeutique, elle provoque une accélération cardiaque, une diminution des sécrétions (sueur et salive), un relâchement des muscles lisses et une mydriase (dilatation de la pupille) prononcée (assuré par le système sympathique). Cette dernière propriété est mise à profit en ophtalmologie pour faciliter l'examen de l'œil. En administration locale sous forme de collyre, l'atropine a une très longue durée d'action.
En s'opposant à l'effet de l'acétylcholine sur les muscles lisses, l'atropine les relâche. Elle a donc une action antispasmodique.
Sa durée d'action est relativement courte.
L'atropine peut provoquer une grave intoxication à la dose de 10 mg (ce qui représente plus de dix fois la dose habituelle), qui peut ensuite provoquer la mort par dépression de la respiration et par dépression du système cardio-vasculaire. À doses importantes, elle stimule d'abord, puis induit excitation et délire en perturbant la mémoire avant de provoquer une paralysie, un coma, puis la mort.
Utilisation en médecine vétérinaire lors d'intoxication aux organophosphorés et aux carbamates (pesticides).
L'atropine passe la barrière placentaire.