藥物進入循環后首先與血漿蛋白結合(plasmaprotein binding)。酸性藥物多與清蛋白結合，堿性藥物多與α1酸性糖蛋白結合，還有少數藥物與球蛋白結合。這種結合和藥物與受體蛋白結合情況相似：

　　可見藥物的血漿蛋白結合量([DP])受藥物濃度([D])，血漿蛋白(P)的質和量及解離常數(KD)影響，各藥不同而且結合率(血中與蛋白結合的藥物與總藥量的比值)隨劑量增大而減少。藥理學書籍收載藥物的血漿蛋白結合率是在常用劑量范圍內對正常人測定的數值。藥物與血漿蛋白的結合是可逆性的，結合后藥理活性暫時消失，結合物分子變大不能通過毛細管壁暫時“儲存”于血液中。上述反應式中縱向虛線代表毛細管壁，在吸收過程中游離藥物穿透毛細管壁進血液后與血漿蛋白結合，反應平衡向右移，有利于吸收。在消除過程中(如肝攝取及腎小管分泌)，血中游離藥物被除去，反應平衡左移，有利于消除。藥物與血漿蛋白結合特異性低，而血漿蛋白結合點有限，兩個藥物可能競爭與同一蛋白結合而發生置換現象。如某藥結合率達99%，當被另藥置換而下降1%時，則游離型(具有藥理活性)藥物濃度在理論上將增加100%，可能導致中毒。但一般藥物在被置換過程中，游離型藥物會加速被消除，血漿中游離型藥物濃度難以持續增高。藥物也可能與內源性代謝物競爭與血漿蛋白結合，例如磺胺藥置換膽紅素與血漿蛋白結合，在新生兒可能導致核黃疸癥。血漿蛋白過少(如肝硬化)或變質(如尿毒癥)時藥物血漿蛋白結合率下降，也容易發生毒性反應。

　　吸收的藥物通過循環迅速向全身組織輸送，首先向血流量大的器官分布(distribution)，然后向血流量小的組織轉移，這種現象稱為再分布(redistribution)，如硫噴妥先在血流量大的腦中發揮麻醉效應，然后向脂肪等組織轉移，效應很快消失。經過一段時間后血藥濃度趨向“穩定”，分布達到“平衡”，但各組織中藥物并不均等，血漿藥物濃度與組織內濃度也不相等。這是由于藥物與組織蛋白親和力不同所致。因此這種“平衡”稱為假平衡(pseudoequilibrium)，這時血漿藥物濃度高低可以反映靶器官藥物結合量多少。藥物在靶器官濃度決定藥物效應強弱，故測定血漿藥物濃度可以估算藥物效應強度。某些藥物可以分布至脂肪、骨質等無生理活性組織形成儲庫，或結合于毛發指(趾)甲組織。藥物的pKa及體液pH是決定藥物分布的另一因素，細胞內液pH(約為7.0)略低于細胞外液(約7.4)，弱堿性藥物在細胞內濃度略高，弱酸性藥物在細胞外液濃度略高，根據這一原理，弱酸性藥物苯巴比妥中毒時用碳酸氫鈉堿化血液及尿液可使腦細胞中藥物向血漿轉移并加速自尿排泄，是重要救治措施之一。

　　血腦屏障(blood-brainbarrier)腦是血流量較大的器官，但藥物在腦組織濃度一般較低，這是由于血腦屏障所致。在組織學上血腦屏障是由血-腦、血-腦脊液及腦脊液-腦三種屏障的總稱，實際上能阻礙藥物穿透的主要是前二者。腦毛細血管內皮細胞間緊密聯接，基底膜外還有一層星狀細胞包圍，藥物較難穿透。腦脊液不含蛋白質，即使少量未與血漿蛋白結合的脂溶性藥物可以穿透進入腦脊液，其后藥物進入靜脈的速度較快，故腦脊液中藥物濃度總是低于血漿濃度，這是大腦自我保護機制。治療腦病可以選用極性低的脂溶性藥物，例如磺胺藥中的磺胺嘧啶。為了減少中樞神經不良反應，對于生物堿可將之季銨化以增加其極性，例如將阿托品季銨化變為甲基阿托品后不能通過血腦屏障，即不致發生中樞興奮反應。

　　胎盤屏障(placentabarrier)是胎盤絨毛與子宮血竇間的屏障，由于母親與胎兒間交換營養成分與代謝廢物的需要，其通透性與一般毛細管無顯著差別，只是到達胎盤的母體血流量少，進入胎兒循環慢一些罷了。例如母親注射磺胺嘧啶2小時后才能與胎兒達到平衡。利用這一原理可以在預期胎兒娩出前短時內注射鎮靜鎮痛藥，新生兒不致遭受影響。應該注意的是幾乎所有藥物都能穿透胎盤屏障進入胚胎循環，在妊娠期間應禁用對胎兒發育有影響的藥物。