苯二氮卓類藥物的血漿蛋白結合率高，地西泮的血漿蛋白結合率高達99%。由於其高脂溶性，可以迅速分布到組織中，在脂肪組織中蓄積。靜脈註射首先分布到大腦和其他富含血液的組織和器官。腦脊液中的濃度約等於血漿中的濃度。然後在脂肪和肌肉組織中重新分布和積累，分布體積非常大，尤其是老年患者。
這些藥物主要是在肝藥酶的作用下進行生物轉化。大多數藥物的代謝產物與母體藥物具有相似的活性，其t1/2比母體藥物長。比如氟地西泮的血漿t1/2只有2 ~ 3小時，而其主要活性代謝物N-脫烷基氟地西泮的血漿t1/2則超過50小時。連續使用長效藥物時，應註意藥物及其活性代謝產物在體內的蓄積。苯二氮卓類藥物及其代謝產物最終與葡萄糖醛酸結合而失去活性，並通過腎臟排出。結構中的羥基可直接與葡萄糖醛酸結合而失活，受其他因素影響較小。在生物轉化過程中，7位結構中的硝基(如硝西泮)被還原為氨基，並進壹步乙酰化為乙酰氨基。兩種代謝產物都沒有生物活性，這種代謝途徑受其他因素影響較小。但這些藥物在體內的氧化代謝易受肝功能、年齡、同時飲酒的影響，使t1/2延長。