Receptory β są sprzężone z białkiem Gs, które składa się podjednostek α, β i γ. Po przyłączeniu agonisty do receptora, od białka Gs oddysocjowuje podjednostka α-GTP, która aktywuje cyklazę adenylową. Cyklaza adenylowa katalizuje przemianę ATP do 3'-5'-cyklicznego adenozynomonofosforanu (cAMP). Wzrasta poziom cAMP, który aktywuje kinazy białkowe A (PKA). Następuje wydalanie jonów wapnia na zewnątrz komórki i zatrzymanie jego uwalniania z siateczki śródplazmatycznej. Zachodzi również fosforylacja kinazy lekkich łańcuchów miozyny (MLCK) i staje się ona nieaktywna. W rezultacie nie dochodzi do powstania kompleksu wapń-kalmodulina-MLCK, co powoduje – w zależności od umiejscowienia receptorów – rozkurcz mięśni gładkich naczyń krwionośnych, oskrzeli i/lub macicy.
Pobudzenie receptorów β1 w mięśniu sercowym powoduje wzrost stężenia cAMP, stymulację kinazy białkowej A i fosforylację białek kanału wapniowego typu L. Kanały wapniowe otwierają się i wapń napływa do wnętrza komórki. Następuje intensyfikacja pracy serca – częstość skurczów, siła skurczów, przewodnictwo i pobudliwość serca ulegają zwiększeniu, równocześnie wzrasta jednak zapotrzebowanie mięśnia sercowego na tlen.