Les principes actifs trouvés dans le cannabis sont appelés cannabinoïdes. Ce ne sont pas des alcaloïdes, mais des molécules pourvus d'une structure originale. Les cannabinoïdes sont synthétisés dans toutes les parties vertes de la plante mais en proportions variables : les pieds mâles sont beaucoup moins riches. Il existe plus de 30 cannabinoïdes connus et leur étude chimique est relativement récente.

Le cannabinoïde qui explique les propriétés psychotropes du chanvre est le D-9-tétrahydrocannabinol (D9-THC). Le D-9-tétrahydrocannabinol fut isolé par les professeurs israéliens Y.Gaoni et R. Mechoulam en 1964. Sa formule chimique est la suivante: Formule développée (D9-THC)

Le D-9-THC est à la fois un psychostimulant et un psychodépresseur dont les effets se rapprochent de ceux des hallucinogènes. Il perturbe le fonctionnement du système nerveux central en provoquant une ébriété, en détériorant la vigilance, la mémorisation, les capacités psychomotrices, et la perception du temps. Il présente des interactions avec d'autres produits tels que les amphétamines, l'alcool, les barbituriques et les opiacés. C'est une substance très lipophile, qui se stocke dans les graisses. Sa demi-vie moyenne est de 96 heures (4 jours), ce qui signifie qu'une utilisation périodique à une semaine d'intervalle aboutit à une accumulation de la substance. Il faut plus d'un mois pour éliminer complètement de l'organisme toute trace de substance après une seule utilisation. Elle peut être rapidement libérée des graisses en cas de stress. La biodisponibilité par inhalation (fumée) est de 20% et de 5 à 6% par ingestion (solide ou liquide).

Le chanvre est par ailleurs une plante riche en composés chimiques peu étudiés : on en dénombre aujourd'hui plus de cinq cents. Parmi les molécules ayant une activité biologique, l'on distingue le D-8-THC, composé psychoactif très secondaire, le cannabidiol (CBD), le cannabinol (CBN) et les cannabigerol, cannabicyclol et cannabichromène, ces derniers étant très peu actifs.