לעישון טבק יש השפעות עוצמתיות על מערכת העצבים המרכזית. סיגריות פועלות כמעורר מערכת עצבים מרכזית ומשפיע על המעבירים העצביים סרוטונין, דופמין, נוראפינפרין, אצטילכולין, GABA ואחרים. המרכיב המשמעותי ביותר בעישון טבק הוא הניקוטין, המרכיב הגורם להתמכרות. ישנם גם למעלה מ- 600 תוספי סיגריות מתועדים בטבק מסחרי, ו -100 מהם נמצאו כבעלי השפעות פרמקולוגיות על הגוף, ובמיוחד על מערכת העצבים המרכזית.
חרדה
עישון סיגריות משפיע על העברות העצבים הקשורות בחרדה ובמצב הבריאות. למעשנים שיעורים גבוהים יותר באופן משמעותי של חרדה קלינית בהשוואה לא-מעשנים. ניתן להסביר זאת באמצעות השפעת הטבק על GABA, המעביר העצבי האחראי ביותר למצב הבריאות וחוסר חרדה. בגיליון ספטמבר 2007 של "BMC Neuroscience", ד"ר טמאקי הייזה מצא כי הניקוטין הגביר משמעותית את ההתנהגויות והתסמינים הקשורים בחרדה, אפילו שעתיים לאחר החשיפה האחרונה. בנוסף, בגיליון יוני 2007 של כתב העת "Journal of Applied Bio Behavioral Research", מצאו ד"ר ג'נט אודראיין ומקורביהם כי חרדה מתואמת באופן משמעותי לצריכת הניקוטין. הגורמים המשותפים הגדולים ביותר לחרדה הקשורה לעישון היו רמת ההתמכרות, כאשר אנשים עישנו בגלל שעברו יום רע, עישנו כדי להתעורר, ומעשנים שהיו בעלי הערכה עצמית נמוכה.
דיכאון
עישון קשור גם מאוד לדיכאון. לניקוטין ותוספי טבק אחרים יש השפעה שלילית ישירה על הדופמין והסרוטונין, שני מועברים עצביים הקשורים לדיכאון ובריאות הנפש. חלק מהמעשנים עשויים להשתמש בסיגריות כדי להרגיש טוב יותר, בעוד שנסיגת הניקוטין עלולה בעצמה לגרום לדיכאון מלכתחילה. במהדורת ינואר 2008 של "מחקר בנושא ניקוטין וטבק", מצאו ד"ר מייקל ליונס ומקורביהם כי דיכאון רציני היה קשור באופן משמעותי לעישון יומיומי שוטף כמו גם לנסיגת הניקוטין. חלק מהתסמינים הדיכאוניים הנלווים היו עצבנות, חוסר שקט וקשיי ריכוז.
קוגניציה
עישון סיגריות יכול גם להשפיע לרעה על יכולות קוגניטיביות, במיוחד אצל מעשנים לטווח הארוך. הניקוטין משפיע ישירות על העברות העצבים הקשורות למידה, זיכרון וקוגניציה. למאות התוספים בסיגריות יש גם השפעה שלילית של קוגניציה. מעשנים לטווח ארוך נמצאים בסיכון מסוים להתפתחות דמנציה ככל שהם מתבגרים. בגיליון אוגוסט 2007 של "סקירה נוירופסיכולוגית", מצאו ד"ר גארי ברבור ומקורביהם כי עישון קשור באופן משמעותי לניוון של חומרים במוח ולמוות תאי, ירידה קוגניטיבית בגלל מדדים חוזרים ונשנים ושיטיון. בדו"ח הם מצאו גם כי אמהות שמעשנות מציבות את ילדיהן בסיכון מוגבר למחסור נוירו-התפתחותי.
