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바르비투르산염들은 중추신경계의 기능을 억제하며, 대개 소량을 복용했을 경우에는 진정효과가, 과량을 복용했을 경우에는 최면효과가 나타난다. 바르비투르산염들은 약물의 작용 지속시간에 따라 분류된다. 바르비탈이나 페노바르비탈처럼 작용 지속시간이 긴 바르비투르산염들은 장기간 억제작용이 필요한 간질과 같은 특정 발작성장애를 치료하기 위해 다른 약물들과 병용투여한다.

아모바르비탈이나 부타바르비탈나트륨과 같이 작용 지속시간이 중간 정도인 바르비투르산염들은 불면증을 치료하는 데 사용한다. 펜토바르비탈이나 세코바르비탈처럼 작용 지속시간이 짧은 바르비투르산염들은 수면제로 쓰인다.

티오펜탈나트륨이나 티아밀랄처럼 작용 지속시간이 아주 짧은 바르비투르산염들은 약효가 순하고 빠르게 무의식상태에 빠지게 하기 위해 정맥 내에 주사하는 마취제로 쓰인다.

체내에 바르비투르산염이 축적되는 것을 막기 위해서 간기능이 저하된 경우에는 신중히 투여해야 한다. 우연히 또는 고의로 과량투여한 결과 나타나는 바르비투르산염계 약물의 독성은 산소결핍에 의한 뇌손상이나 장기간 기능적 활력이 저하되거나 감소되는 상태가 수반되는 다른 합병증(예컨대 폐렴)을 유발하므로 매우 치명적이다. 바르비투르산염(특히 세코바르비탈과 펜토바르비탈)을 장기복용하면 내성이 생겨 시간이 흐를수록 초기 치료량보다 더 많은 양을 필요로 하게 된다.

습관성 복용자가 바르비투르산염의 사용을 중단하면, 약에 대한 생리적 의존성 때문에 금단증상으로 설명되는 일련의 전신반응들이 일어나는데, 이것은 치명적일 수 있다. 바르비투르산염의 중독 치료는 적절한 약물중독 치료 프로그램에 따라 의사의 지시 아래 점차적으로 약물 사용을 감소시켜 나가는 것이다(→ 마약중독, 약물남용).