解热镇痛药的作用机制主要与抑制体内前列腺素（PG）的生物合成有关。

在正常生理状态下，人体的体温调节中枢通过对产热和散热过程的精细调节，使体温维持在相对稳定的水平。当机体受到病原体感染等因素刺激时，巨噬细胞等会释放细胞因子，如白细胞介素 - 1、肿瘤坏死因子等，这些细胞因子会促使下丘脑体温调节中枢合成与释放前列腺素E（PGE），PGE作用于体温调节中枢，使体温调定点上移，导致机体产热增加、散热减少，从而引起发热。解热镇痛药能够抑制下丘脑体温调节中枢前列腺素合成酶（环氧化酶，COX）的活性，减少前列腺素的合成与释放，使体温调定点恢复到正常水平，从而发挥解热作用。此时，机体通过增加散热，如出汗、皮肤血管扩张等方式，使体温降至正常。

疼痛是机体受到伤害性刺激时产生的一种不愉快感觉。当组织损伤或发生炎症时，局部会产生和释放一些致痛物质，如缓激肽、组胺等，同时前列腺素也会合成与释放增加。前列腺素不仅本身具有致痛作用，还能增强痛觉感受器对缓激肽等致痛物质的敏感性，使疼痛加剧。解热镇痛药通过抑制COX的活性，减少前列腺素的合成，从而减轻前列腺素引起的疼痛和痛觉增敏作用，发挥镇痛效果。其镇痛作用主要对慢性钝痛，如头痛、牙痛、神经痛、肌肉痛、关节痛等有良好效果，而对创伤性剧痛和内脏平滑肌绞痛无效。

此外，炎症反应过程中，前列腺素也是重要的炎症介质之一，它可以引起血管扩张、通透性增加，导致局部充血、水肿等炎症表现。解热镇痛药抑制前列腺素的合成，进而减轻炎症部位的红肿热痛等症状，起到抗炎作用，但大多数解热镇痛药只有中等程度的抗炎作用，不能完全消除炎症的病因。