Głównym założeniem podczas prac nad nowym, syntetycznym opioidem, było uzyskanie środka dającego głębokie znieczulenie pacjenta przy minimalnej zmianie dynamiki krążenia oraz jednoczesne blokowanie wzrostu hormonów stresu np. podczas interwencji chirurgicznej. W rezultacie tych prac w 1960 został zsyntezowany fentanyl, N-(fenetylo-4-piperydylo) propionanilid, syntetyczny opioid, agonista receptorów mi, działający głównie na centralny układ nerwowy. Opioidy, to związki działające na receptory opioidowe (mi, kappa, delta). Receptory mi, (morphine opioid receptors MOR), są usytuowane między innymi w pniu mózgu. Ich pobudzenie prowadzi do sedacji (uspokojenia, przytłumienia zmysłów), depresji oddechowej (zaniku spontanicznej akcji oddechowej), błogostanu, zmniejszenia motoryki przewodu pokarmowego, zatrzymania moczu oraz analgezji (znieczulenia). Fentanyl charakteryzował się najszybszym działaniem oraz najwyższym wówczas indeksem terapeutycznym.

Po wprowadzeniu do medycyny w 1963 roku jako silny, stosunkowo krótko działający dożylny środek przeciwbólowy, szybko stał się kluczowym lekiem stosowanym w znieczuleniu i leczeniu bólu. Po dożylny podaniu działa on natychmiastowo. Po wchłonięciu następuje szybka dystrybucja tego związku do mózgu, serca, płuc, nerek oraz śledziony. Do skutków działania fentanylu zalicza się: analgezję, sedację, senność, zaburzenia nastroju, zwężenie źrenic, po kilku minutach od podania może nastąpić depresja oddechowa. Związek ten w porównaniu z innymi opioidami charakteryzuje się wysoką rozpuszczalnością w lipidach. Ta właściwość fizykochemiczna powoduje niezwykle szybkie przemieszczanie się fentanylu do mózgu. Jeden z jego izomerów (cis 3-MF) wykazuje ponad 6684 razy silniejsze działanie niż morfina. Fentanyl ma długą końcową eliminację, z udokumentowanym wtórnym zjawiskiem szczytowym, które może objawiać się tzw. „odbiciem fentanylu”.