μオピオイド受容体の強力な作動薬として、GiまたはGo蛋白質を介してアデニル酸シクラーゼを抑制する。シナプス前Caチャネルを抑えて疼痛伝達物質の放出を低下させ、シナプス後Kチャネルを開口して神経細胞を過分極させる。脂溶性が極めて高く、静脈内投与では速やかに中枢へ移行して強い鎮痛作用を示す。ヒスタミン遊離作用はモルヒネより弱く、循環動態への影響は比較的小さい。主にCYP3A4で代謝され、腎機能低下時に活性代謝物が蓄積しにくい。

注射剤は全身麻酔、麻酔補助、術中・術後の強い疼痛、集中治療での鎮痛などに用いられる。貼付剤は一定量のオピオイドで疼痛が安定している患者の持続性疼痛管理に使用され、製剤ごとにがん疼痛または慢性疼痛の適応と切替条件が定められている。貼付後すぐに最大効果が現れる薬ではなく、急性疼痛や突出痛のレスキュー薬としては使用しない。貼付剤を切断せず、貼付日時・部位を記録し、古い製剤を剥がしてから新しい製剤を貼付する。

呼吸抑制、眠気、悪心、嘔吐、便秘、めまい、そう痒、尿閉がみられる。急速静注や高用量投与では胸郭・声門の筋強剛を起こし、換気困難となることがある。徐脈や血圧低下にも注意する。貼付剤では発熱、電気毛布、湯たんぽ、サウナなどによる皮膚温上昇で吸収が増加し、遅発性の呼吸抑制を起こす可能性がある。剥離後も皮膚内に残った薬剤が吸収されるため、呼吸抑制の監視を継続する。

イトラコナゾール、クラリスロマイシン、リトナビルなどの強力なCYP3A4阻害薬はフェンタニル濃度を上昇させ、呼吸抑制を遷延させる。リファンピシン、カルバマゼピン、フェニトインは濃度を低下させ、誘導薬中止後には濃度が上昇することがある。ベンゾジアゼピン系薬、アルコール、睡眠薬、麻酔薬との併用で呼吸抑制が増強する。SSRI、SNRI、MAO阻害薬などとの併用ではセロトニン症候群に注意する。