脑部的血流量大、血液循环好，但是很多药物在脑内的浓度很低。大量的实验表明，在血液与脑组织之间存在着某种屏障，称为血脑屏障(blood-brain barrier)。血脑屏障很好地限制了物质进入脑部，对中枢神经系统具有重要的保护作用，但给一些脑部疾病的治疗带来了很大的困难。如许多抗生素尽管体外有较好的抗菌效果，但不能用于治疗脑部感染。

血脑屏障包括以下3个部分:①从血液中直接转运至脑内时的血液-脑组织屏障;②从血液转运至脑脊液时的血液-脑脊液屏障;③通过脑脊液转运至脑内时的脑脊液-脑组织屏障。对药物转运起屏障功能的主要是前两部分，主要是由于脑毛细血管的内皮细胞通过紧密连接形成致密的、连续无孔的血管壁，毛细血管基膜外被一层神经胶质细胞包围，形成较厚的脂质屏障。脑血管的这种结构有效地阻挡了水溶性和极性药物进入脑组织，为其提供了一种相对稳定的内环境，使大脑免受血中有害物质的侵害。

药物从血液向脑组织转运必须穿越致密的毛细血管壁内皮细胞和基底膜，而从血液向脑脊液的转运则必须穿过贴在毛细血管内皮细胞上的基底膜和脉络丛上皮细胞。这些跨膜转运过程仍以被动扩散为主，故药物的脂溶性和解离度是影响转运的主要因素。脂溶性强的药物如硫喷妥钠、氨基比林、氯丙嗪等容易透过血脑屏障，而脂溶性较差的水杨酸、磺胺脒等的透过性均很差。在脑脊液pH 7.3的环境下，弱酸性药物以解离型占多数，而弱碱性药物以非解离型占多数，故相对而言，弱碱性药物较易向脑脊液转运。有些药物入脑后可与脑组织成分发生非特异性结合，而使脑内的浓度远高于血浆中的药物浓度。芬乙茶碱与血浆蛋白的结合率为30%，而与脑组织的结合率为56%，故其脑组织中的浓度比血浆中浓度高数倍，比脑脊液中的浓度高5倍。

脑毛细血管内皮细胞膜中存在一些特异性的载体，如氨基酸载体、己糖载体和单羧酸载体等，葡萄糖、氨基酸或某些特定的离子可通过载体介导的主动转运方式进入脑内。因此，当血液中某种氨基酸浓度高时，则能抑制其他氨基酸向脑内的转运。如苯酮尿症患者的血液中通常具有高浓度的苯丙氨酸，故往往出现脑内其他必需氨基酸慢性缺乏症状。吗啡的入脑也可通过主动转运方式进行，给药1.5小时时，脑脊液浓度与血浆浓度相等，而给药3小时后，脑脊液浓度为血浆浓度的2倍。此外，脑毛细血管内皮细胞膜上还存在一些特异性的受体，如转铁蛋白受体、胰岛素受体、低密度脂蛋白受体等。这些受体能够与其相应的配体特异性结合，通过受体介导的胞吞转运机制将脑组织必需的物质送入脑内，例如血中的铁可以通过转铁蛋白受体介导入脑、胰岛素可以通过胰岛素受体介导入脑。

新生儿尤其是早产儿的血脑屏障发育未全，多种药物如镇静催眠药、镇痛药、全身麻醉药、四环素类抗生素等易穿过血脑屏障，作用增强，在用药时应谨慎对待。另外，血脑屏障在神经垂体及其邻近的下丘脑第四脑室底部的极后区、视上脊、柱间结节及松果体等部位存在漏洞。如阿扑吗啡虽不能穿透血脑屏障，但能到达极后区的催吐化学感受区而引起呕吐。

进入脑内的药物不能直接从脑部排出体外，须先从中枢神经系统向血液排出，才能通过体循环排出至体外。药物从中枢神经系统向血液的排出与药物在中枢神经系统中的分布和蓄积有关，主要是通过脑脊液和脉络丛转运入血。药物从脑脊液向血液的排出主要通过蛛网膜绒毛滤过方式进行。蛛网膜下绒毛处有较大的孔隙，药物通过这种孔隙的滤过并没有特别的制约，甚至连甘露醇、蔗糖、右旋糖酐及血清蛋白之类的高分子物质亦容易通过。这种滤过的动力是脑脊液的流体静压，因此药物从脑脊液消除的速度由脑脊液的滤过速度决定。如脑脊液流量少，滤过速度(即进入血中速度)减慢，则药物的消除速度亦相应减慢。例如，乙酰唑胺可使脑脊液的流量减少，从而使戊巴比妥从脑内的消除减慢，使其催眠作用延长。