Er is heel veel onderzoek gedaan naar de werking van LSD in de hersenen. Hoofdzakelijk werkt LSD in op het serotonerge systeem (serotonine productie of juist tegenwerking van serotonine). Men weet nog niet HOE LSD precies werkt. Op de ene receptor stimuleert het en op de andere voorkomt het de werking van serotonine. Daarnaast kan een invloed op het serotonerge systeem een domino-effect hebben op allerlei hersengebieden die elk weer anders reageren op de verstoorde serotoninespiegels. Of dit blijvende schade aan het hele systeem veroorzaakt (evt. bij frequent gebruik) is niet bekend. Wel is het zo dat de ervaring van een LSD-trip een blijvende inzichtelijke verandering kan bewerkstellen. In goede of slechte zin.
