Uzun süreli ve yoğun yaşanan stres, sadece kişinin ruh sağlığına zarar vermekle kalmayıp vücutta, özellikle beyin üzerinde olumsuz etkiler yaratır. Stres, beyinde haberleşmeyi ve bilgi akışını sağlayan iletici molekülleri (nerotrasmitter) etkiler. Beyinde sinir iletimi baskılayan GABA, vücudu uyarıp performansı arttıran noradrenalin, histamin, glutamat ve endişeyi azaltan seratonin, adenozin, ve opiatlar stresle doğrudan bağlantılı hormanlardır. Stres, bu hormonların düzeylerini veya alıgılıyıcılarını değiştirerek etkisini gösterir. Hormonların etkisinin artması veya azalması, kişinin strese karşı verdiği mücadeleyi doğrudan etkiler.

Stres ve endişe durumlarında beyindeki GABA moleküllerinin hayli etkili olduğu biliniyor. GABA, sinir hücrelerinin gelen sinyallere cevap verme gücünü azaltır. GABA algılayıcıları (reseptörleri) baskılanırsa stres artar, uyarılırsa azalır. GABA algılıyıcılarıyla bağlantılı diğer bir molekül grubu benzodiazepinlerdir. Örneğin diazepin içeren sakinleştirici ilaçlarla beyindeki benzodiazepin algılıyıcalırının uyarılması , GABA'nın işlevini etkileyerek rahatlama sağlar. Uyarıcı bir hormon olan noradrenalinin dikkat, uyanıklık, öğrenme ve duygusal tepkimelerle bağlantısı vardır. Noradrenalin sistemi, vücudun tehdit edici uyarana cevabı sırasında oluşan korku ve uyanıklıkla önemli bir rol oynar. Beyinde noradrenalin salgılanan bölge (Lokus seruleus) stres durumunda derhal uyarılır ve buna bağlı olarak kişinin dikkati artar, kişi daha aktif olur ve savunma konumuna geçer. Ancak uzayan stres durumunda, bu bölgenin aşırı uyarılması giderek performansı düşürür, kişinin sorunlarla başa çıkma gücünü azaltır ve panik atağa sebep olur. Seratonin iştah, hayat enerjisi, uyku ve dürtü kontrolünden sorumludur. Seratonin algılayıcılarının bastırılması kişide mutsuzluğa ve kaygıya yol açar. Stresle salgılanımı artan bir hormonda depomindir. Depominin motivasyonu ve stresle başa çıkma gücünü arttırdığı düşünülüyor. Depominin algılayıcılarını bastıran ilaçlar stresi ve kaygıyı da azaltıyor. Adenozin sakinleştirici etkileri olan bir iletici moleküldür. Adenozin algılayıcılarının, kafein molekülü gibi bir molekülle baskılanması durumunda kişi kolay uyarılabilir hale gelir ve endişesi artar. Histamin kendi algılayıcılarına bağlanarak beyin uyaran bir hormondur. Stres, beyinde histamin düzeyini arttıran bir unsurdur. Histaminin etkisini baskılayan antihistaminik ilaçlar kişiyi sakinleştirir ve endişeyi azaltır. Beyinde salgılanan morfin benzeri moleküllere opait denir. Endorfin, enkafalin ve dinorfinler oluşan bu hormonlar endişeyi azaltır ve kişiyi rahatlatır.

Stres durumunda glukokortikoid ve glutamat düzeyleri yükselir. Bu hormonlar beynin duygulardan sorumlu haber merkezi olarak görülen hipokampus üzerinde etkilirdir. Glutamat stresle bağlantılı olan ve uyarıcı rol oynayan bir hormondur. Hafıza kaydında, şartlanmış duygusal tepkilerin ve korku cevabının edinilmesinde görev alır. Bu hormonun algılayıcılarının baskılanması, korku tepkisi edinilmesini engeller. Melanokortinler olarak adlandırılan bir dizi hormonun da stresle yakın ilişkili olduğu gösterilmiştir. Yapılan araştırmalarda, bu hormon grubundan olan ACTH ve MC4R'nin arttığı durumlarda stres davranışlarında da artış gözlenmiştir. MC4R baskılandığında stres azalmakta ve buna bağlı vücutsal değişimler kaybolmaktadır. Hayvan deneylerinde uzun süreli stresin, beyin hücrelerinde genetik değişikliklere sebep olduğu gösterilmiştir. Stresin etkisiyle, hücre bölünmesinde rol oynayan bir dizi genin (protoonkojen genler) DNA diziliminde değişim meydana gelmektedir.