Cũng như các thuốc statin khác, atorvastatin là chất ức chế cạnh tranh của HMG-CoA reductase. Tuy nhiên, không giống như hầu hết những thuốc khác, nó là một hợp chất hoàn toàn tổng hợp. HMG-CoA reductase xúc tác quá trình khử 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (HMG-CoA) thành mevalonate, đây là bước giới hạn tốc độ trong sinh tổng hợp cholesterol ở gan. Sự ức chế enzyme làm giảm tổng hợp cholesterol de novo, tăng biểu hiện của thụ thể lipoprotein mật độ thấp (thụ thể LDL) trên tế bào gan. Điều này làm tăng sự hấp thu LDL của các tế bào gan, làm giảm lượng LDL-cholesterol trong máu. Giống như các thuốc statin khác, atorvastatin cũng làm giảm nồng độ triglyceride trong máu và làm tăng nhẹ mức HDL-cholesterol.