咖啡因是一种无味、苦涩、白色的生物碱，存在于许多植物中。咖啡因的主要效应之一是阻断神经递质腺苷，影响全身多种代谢途径。此外，咖啡因还可刺激肾上腺分泌并释放肾上腺素进入血液循环。咖啡因与肾上腺素一起可刺激多种身体组织。

它们可以刺激中枢神经系统、增强肌肉收缩、提高肌糖原和肝糖原的分解速度、增多脂肪组织对游离脂肪酸（FFAs）的释放，以及增加肌肉内甘油三酯的利用率。在休息时，可以观察到明显的血液中FFAs浓度增加。

人们对咖啡因的增补效应已经进行了 100 多年的研究。早期研究主要集中在强度、力量和精神运动参数的改善上，比如反应时间。

到了20世纪70年代末，研究人员猜测咖啡因可以通过增加脂肪氧化、减少人体对肌糖原的利用率来提高有氧耐力运动员的运动性能，比如马拉松运动员。多年来，许多调查人员都对这一假说进行了验证。长时间有氧耐力运动中咖啡因可通过增加脂肪氧化、减少人体对肌糖原的利用来增强运动表现。

咖啡因对耐力运动性能的机能增进影响是多因素的。首先，咖啡因可能会刺激中枢神经系统，加速大脑和脊髓神经细胞的活动，并降低运动过程中的自感用力度（RPE）总的来说，咖啡因可影响中枢和外围的代谢过程，以及心理过程，进而延缓疲劳；理论认为这些效应可以提高多种运动的表现，包括耐力、强度、速度和力量。