硫喷妥钠在体内的分布，大致分成三个阶段：第一阶段，静脉注射后很快与中心静脉血混合，首先到达血流灌注丰富的内脏器官；第二阶段，药物由于浓度差，经血流再分布于血流灌注少而缓慢，但组织容量大的肌肉、结缔组织、骨髓和皮肤内，使脑中药物浓度迅速减，这一过程速度很快，以致脑内浓度峰值仅能维持5分钟，因此硫喷妥钠的作用短暂；第三阶段为脂肪摄取。