烟草依赖形成的机制主要在于尼古丁的奖赏效应。尼古丁与大脑内的尼古丁受体结合后，激活脑多巴胺神经元释放多巴胺，使吸烟者产生“愉悦”感以及其他奖赏感受，反复多次后形成烟草依赖。
尼古丁乙酰胆碱受体由5个跨膜亚基组成。神经元α亚基有9个亚型，而神经元β亚基有3个亚型。每种亚型在大脑内的解剖学分布不同，各有自己独特的药理学和生理学特征，其中α4β2型受体与烟草依赖的关系最为密切。尼古丁为尼古丁乙酰胆碱受体的激活剂，当尼古丁与尼古丁乙酰胆碱受体结合后，可刺激脑中多种神经递质的释放，发挥生物效应。
吸烟是摄入尼古丁并产生其精神活性效应的特别有效的方式。尼古丁呈脂溶性，被吸入肺部后能够迅速透过肺泡膜进入肺毛细血管的血液，并在数秒内到达中枢神经系统，作用于脑内的尼古丁受体。
这种药代动力学特点不仅使尼古丁的精神效应最大化，而且易致成瘾。其他的尼古丁摄入方式（如通过口腔黏膜或鼻黏膜吸收）不能如此迅速地增加血中与脑中的尼古丁浓度，因此具有较少的精神活性效应，其成瘾性也相对较低。
尼古丁的半衰期为2到3小时，吸烟成瘾者如果减小烟量或停止吸烟，体内尼古丁浓度会迅速降低。当脑中尼古丁浓度降低到一定水平时，吸烟者无法继续体验“愉悦”感，并出现戒断症状和对吸烟的渴求。为避免这些戒断症状，吸烟成瘾者每隔一小段时间就要吸烟以维持大脑中的尼古丁水平。
实际上，在烟草依赖者的吸烟动机中，体验尼古丁所带来的较不吸烟者增加的“欣快”感极为有限，而更主要的动机是为了避免、解除或缓解戒断症状。因此，吸烟者在吸烟时所体验到的“愉悦”感是避免戒断症状（造成“幸福度”降低的原因）而产生的相对“愉悦”，而不是“幸福度”水平的绝对提高。也就是说，是由负“幸福度”向正常“幸福度”的回归，而不是产生了增加的“幸福度”。
此外，研究还发现，基因多态性与吸烟行为相关，这说明遗传因素在烟草依赖的发病中发挥一定作用。
