Barbital działa hamująco na neurony układu limbicznego, tworu siatkowatego w mózgu, a także podwzgórza, upośledza przekazywanie bodźców do kory mózgowej z tych struktur. Wzmacnia efekt hamujący neuroprzekaźnika GABA a podany w wysokich dawkach działa jak analog GABA. Jest jednym z modulatorów receptora GABA-A. Redukuje pobudzający wpływ glutaminianów.
Farmakologia Barbital (weronal) w działaniu jest podobny do luminalu, prominalu oraz cyklobarbitalu. Występują jednak poszczególne różnice. Barbital w zależności od zastosowanej dawki wykazuje działanie uspokajające (30–100 mg) oraz nasenne (300–500 mg).
Jest wolno i nieznacznie (zaledwie w 30%) metabolizowany w ustroju, wydalając się z moczem. Klinicznie jego działanie jest wolniejsze, silniejsze i bardziej długotrwałe niż fenobarbitalu. Dopiero po około godzinie od podania (500 mg) wywołuje głęboki, długotrwały 7–9 godzinny sen, po którym zawsze występuje okres zamroczenia ustępujący do 48 godzin.
Zastosowanie Sól sodowa barbitalu została po raz ostatni opisana w Farmakopei Polskiej V (1993), jako monografia Barbitalum Natricum.
W Polsce barbital był stosowany leczniczo do końca lat 90.