Diazepam bindet hauptsächlich an GABA\(_A\)-Rezeptoren im Gehirn. Diese Rezeptoren sind ionotrope Rezeptoren, die den Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) binden. Durch die Bindung von Diazepam an eine spezifische Stelle auf dem GABA\(_A\)-Rezeptor, die als Benzodiazepin-Bindungsstelle bekannt ist, wird die Wirkung von GABA verstärkt. Dies führt zu einer erhöhten Öffnung der Chloridkanäle, was eine Hyperpolarisation der Nervenzellen und somit eine hemmende Wirkung auf das zentrale Nervensystem zur Folge hat.