体内几乎所有细胞都能生成腺苷。凡含腺苷成分的物质，如磷酸腺苷、S-腺苷甲硫氨酸、S-腺苷同型半胱氨酸和核糖核酸等，在其降解过程中都能生成腺苷，但它主要是由磷酸腺苷脱磷酸而产生。当组织缺氧或缺血时，腺苷三磷酸（adenosine triphosphate; ATP）大量出胞，由于其生成减少而分解增加，ATP被分解为腺苷二磷酸（adenosine diphosphate; ADP）、腺苷酸（adenosine monophosphate; AMP），AMP在5'-核苷酸酶的作用下进一步被分解而生成腺苷，使细胞外腺苷水平升高。细胞外腺苷可被快速重摄取回细胞内，用于合成ATP，也可在进入血液循环后被内皮细胞快速摄取。细胞内腺苷除用于合成ATP外，也可在腺苷脱氨酶作用下转变为无生物活性的次黄嘌呤核苷（简称次黄苷）。

腺苷的化学结构图

腺苷具有重要的生理作用，主要通过激活腺苷受体而实现。腺苷受体为G蛋白偶联受体，已知的有A₁、A_2A、A_2B和A₃四种受体亚型。腺苷作为ATP等物质分解过程中的一个中间产物，其代谢速度很快，故其作用十分短暂，它在血液中的半衰期不足10秒钟。

在心脏，分布最多的腺苷受体是A₁受体，见于窦房结、房室结、心房肌和心室肌等处。A₁受体主要与G_i蛋白偶联，该受体与腺苷结合后，可引起腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase; AC）的抑制，产生对抗儿茶酚胺对心肌的效应，使心率减慢、心肌收缩力减弱和房室传导速度减小。该受体介导效应的下游机制包括激活心肌细胞膜上的乙酰胆碱敏感的钾通道（acetylcholine-sensitive potassium channel; I_K-ACh），使I_K-ACh在乙酰胆碱作用下大量激活开放，钾外流增加而使细胞膜发生超极化，导致心肌自动节律性降低，动作电位时程缩短；下游机制还包括抑制心肌细胞膜上的L型钙通道（L-type calcium channel; I_Ca-L），使房室结动作电位0期去极化速度减慢，导致房室传导减慢，有效不应期延长。因而腺苷已在临床上被用作一种抗心律失常药，治疗阵发性室上性心动过速。

在血管，腺苷受体主要是A₁和A₂（包括A_2A和A_2B）受体。分布于血管内皮细胞的A₁受体介导腺苷促进血管新生等作用，分布于血管平滑肌细胞的A₁受体则介导腺苷促进平滑肌增殖和血管收缩。A₂受体介导腺苷强烈的舒血管（主要是小、微动脉）效应，除少数血管（如肾脏入球小动脉和胎盘血管）外，腺苷能使体内绝大多数血管舒张，包括冠脉循环、肺循环、肝脏循环和胃肠循环等。腺苷是调节局部组织微循环血流量的重要代谢产物。当组织代谢增强或氧供不足时腺苷大量生成，使局部血管舒张，微循环血流量增加。因此，腺苷在临床上也已被用作舒血管药。此外，腺苷通过A₂受体还具有抑制炎症反应、抑制血管平滑肌增殖、抗血小板聚集等作用。

在神经系统，腺苷作为一种神经递质或调质而发挥作用，其作用决定于和它结合的不同受体亚型。A₁和A₃受体被激活后能抑制AC，使胞内第二信使环腺苷酸（cAMP）水平降低，产生抑制效应；而A₂（包括A_2A和A_2B）受体被激活后则产生相反效应。已知在外周交感神经支配的靶器官上有A₁受体，故腺苷可对抗肾上腺素引起的心动过速和脂肪分解作用。在中枢神经系统，腺苷可促进睡眠。咖啡和茶引起的中枢兴奋作用是由于它们阻断了中枢内腺苷A₁受体而产生的。