Les neurones du raphé dorsal sont connectés à la plupart des régions du système nerveux central (cerveau, tronc cérébral, moelle épinière). La sérotonine est libérée dans des synapses et se lie à des récepteurs localisés sur la membrane de l'élément post-synaptique. Par l’intermédiaire de leurs axones, les neurones du noyau du raphé libèrent la sérotonine sur d’autres neurones du système nerveux central et, en se liant à des récepteurs spécifiques, modulent leurs propriétés électriques.
La sérotonine agit en se liant à des récepteurs spécifiques situés dans la membrane des cellules cibles. Les quinze types de récepteurs de la sérotonine se répartissent en sept groupes différents (notés 5-HT1 à 5-HT7). À l'exception des récepteurs 5-HT3 qui sont ionotropes, les récepteurs à la sérotonine sont de type métabotrope (c'est-à-dire qu'ils agissent sur des protéines G).
La sérotonine serait liée à l'humeur dans les deux sens. C'est-à-dire que le taux de sérotonine influencerait l'humeur, et que les pensées positives ou négatives influenceraient à leur tour le taux de sérotonine.
L'exposition à la lumière du jour ou la luminothérapie évitent la transformation de la sérotonine en mélatonine.
La pratique régulière d'un sport augmente la sécrétion naturelle de sérotonine.
L'alimentation a aussi un effet sur le taux de sérotonine. Cependant, la sérotonine ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique, seul le tryptophane le peut.
L'α-lactalbumine, contenue en faible quantité dans le lait, contient relativement plus de tryptophane que la plupart des protéines.
La banane, par contre, si elle contient bien de la sérotonine, n'a en revanche pas d'effet sur l'humeur, car la sérotonine ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique. La dinde n'a pas non plus d'effet sur l'humeur, contrairement à une idée répandue.
Il semblerait que l'ecstasy augmente fortement la production de sérotonine de façon temporaire, causant après coup une carence de l'ordre de 50 à 80 % du niveau normal de sérotonine chez un utilisateur régulier.