药物进入体循环后，就分布到身体组织。 由于血液灌注、组织结合（如脂类成分）、区域的pH以及细胞膜的通透性的差异，分布一般是不均衡的。
药物进入组织的速率取决于该组织的血流量、组织质量以及药物在血液与组织间的分布特性。除了通过细胞膜的扩散为速率限制的过程之外，血管丰富的区域能更快地达到血液与组织间分布的平衡。达到平衡后，组织和细胞外液中的药物浓度可由血药浓度反映出来。代谢及排泄是和分布同时进行的，因而过程是动态的、复杂的。
药物进入组织后，药物在组织间液中的分布主要取决于血液灌注。 在灌注差的组织（如肌肉、脂肪）中分布非常慢，如果该组织对该药物亲和力高则更是如此。
(参见药动学概述。）
分布容积
表观分布容积是指理论上将所给药物总量完全稀释后，使其浓度与实测血药浓度相等时所需的体液总容积。例如，给予1000mg的药物后，其血浆浓度为10mg/L，表观上1000mg分布在100L中（剂量/容积=浓度；1000mg/xL=10mg/L；所以，x=1000mg/10mg/L=100L）。
分布容积与机体的实际容积或体液间室不相干，而涉及的是体内的药物的分布。对于组织结合率极高的药物，其在血液循环中残留的量极少，因此血药浓度偏低，而表观分布容积则相应偏高。在循环系统中停留的药物往往具有较低的分布容积。
分布容积提供了从所给剂量对血浆浓度作预计的参考，但对于分布的类型提供不了什么信息。每一药物在体内的分布都是独特的。有些药物很容易进入脂肪，而有的则停留在细胞外液，有的与特定的组织大量结合。
许多酸性药物（例如，华法林、阿司匹林）具有高度蛋白结合性，因此表观分布容积较小。许多碱性药物（如苯丙胺、哌替啶）被组织大量摄取，因此表观分布容积大于整个身体的容积。
结合
药物分布进入组织的程度取决于与血浆蛋白和组织的结合程度。 药物在血流中转运时，部分以游离型（非结合型）存在血液中，部分则与血液成分（如血浆蛋白、血细胞）可逆地结合。在众多能与药物发生相互作用的血浆蛋白中，白蛋白、α1-酸性糖蛋白和脂蛋白最为重要。酸性药物通常与白蛋白结合更多，碱性药物则通常与α1-酸性糖蛋白、脂蛋白或两者均更多结合。
只有非结合型的药物才能向血管外或向药物产生药理作用的组织位点被动扩散。因此，体循环中非结合型的药物浓度基本决定了在活性位点的药物浓度以及产生的效应。
药物浓度高时，因已有的结合位点的数目所限，结合型的药物数量有上限。结合位点的饱和是药物之间互相置换作用的基础。
除蛋白外，药物还可和许多物质结合。结合通常发生于药物在水相环境中与大分子发生接触时，但也可发生于药物被分割进体脂时。由于脂肪组织的血液灌注量较低，药物在其中达到分布平衡所需的时间较长，对于高脂溶性的药物而言尤其如此。
药物在组织或机体腔室的积聚能延长药物的作用，因为当血浆药物浓度下降时，组织就会把贮存药物释放出来。例如，硫喷妥钠具有高度脂溶性，单次静脉注射后迅速进入脑，有显著、迅速的麻醉作用。几分钟后，当药物向灌注更慢的脂肪组织再分布时，作用就终止。硫喷妥钠随后从脂肪储存中缓慢释放，维持亚麻醉血浆水平。如果重复使用硫喷妥钠，导致大量药物储存在脂肪中，这些浓度可能会变得显著。因此，药物在脂肪组织中的储存起初会缩短其药效持续时间，但随后又会起到延长药效的作用。
有些药物与蛋白质、磷脂或核酸结合，因而在细胞内积聚。例如，氯喹在白细胞内和肝细胞内的浓度要比其在血浆中的浓度高出数千倍。细胞中的药物与血浆中的药物处于平衡状态，当药物从机体消除时，细胞中的药物进入血浆。
血－脑屏障
药物经脑毛细血管和脑脊液进入中枢神经系统。虽然脑部血流量约占心输出量的1/6，但由于脑组织的渗透性特点，药物的渗透有限制。有些脂溶性药物（如硫喷妥钠）能很快进入脑组织，但极性化合物并非如此。其原因是血脑屏障的存在，该屏障由脑毛细血管内皮细胞及星形胶质细胞鞘共同构成。与大多数毛细血管相比，脑部毛细血管的内皮细胞相互连接更为紧密，滞缓了水溶性药物的扩散。而星形细胞鞘是由一层与毛细血管内皮基膜紧密邻接的神经胶质结缔组织细胞（星形细胞）组成。随着年龄增长，血脑屏障的作用减退，更多的化合物可进入脑内。
药物可由脉络丛直接进入脑室脑脊液，再由脑脊液被动扩散进入脑组织。同样是在脉络丛，有机酸类（如青霉素）从脑脊液（CSF）被主动转运到血液。
药物透过血脑屏障进入脑脊液的速率，与其他组织细胞的情况类似，主要取决于药物与血浆蛋白的结合程度、解离状态以及脂水分配系数。与蛋白结合率高的药物的入脑通透速率慢，而离子型的弱酸或弱碱几乎为零。由于中枢神经系统的灌注极佳，药物分布速率基本由通透性决定。
