Duhan u cigaretama sadrži spojeve za koje se zna da uzrokuju funkcionalne i strukturne promjene u mozgu, što stvara ovisnost o pušenju. Kada netko puši, kemija mozga se iz temelja mijenja i pušenje postaje navika koja se stvara kroz ponovljene sesije dok se mozak prilagođava promjenama u svojoj kemiji. Prestanak pušenja može biti izazovan zbog činjenice da tijelo razvija ovisnost o kemikalijama u duhanu i da pacijent doživljava simptome odvikavanja dok se mozak pokušava prilagoditi.
Nikotin, spoj koji se nalazi u duhanu koji oponaša djelovanje neurotransmitera acetilkolina u tijelu, ključna je stvar zbog koje pušenje izaziva ovisnost. Kada nikotin uđe u mozak, veže se na acetilkolinske receptore i ljudi doživljavaju niz neuroloških odgovora, uključujući povećanu budnost i fokus. S vremenom, redovito pušenje uzrokuje da mozak misli da je razina acetilkolina neuobičajeno visoka i kao odgovor na to raste više receptora za ovaj neurotransmiter.
Povećani broj receptora smanjuje osjetljivost na acetilkolin i nikotin, jer je potrebno više da se dobije isti odgovor. To može potaknuti ljude da više puše, uzrokujući tako reakciju mozga stvaranjem više receptora i stvaranjem beskonačnog ciklusa, objašnjavajući što pušenje stvara ovisnost. Kada ljudi prestanu pušiti, imaju povećan broj acetilkolinskih receptora, ali ti receptori se ne stimuliraju. Pacijent doživljava povlačenje jer se mozak nosi s normalnom razinom acetilkolina u tijelu.
Neurolozi su opsežno proučavali utjecaj pušenja na mozak kako bi saznali više o tome što uzrokuje ovisnost o pušenju i kako pušenje mijenja dugoročnu funkciju i strukturu mozga. Neke od ovih studija potisnule su duhanske tvrtke zabrinute zbog utjecaja na prodaju koji bi otkrivanje zdravstvenih učinaka, uključujući ovisnost, moglo imati. Kada su konačno objavljene studije koje obavještavaju javnost da pušenje izaziva ovisnost, odjek javnosti bio je eksplozivan u nekim regijama svijeta.
Pušenje ne samo da izaziva ovisnost, već se čini i kao jedna od jačih supstanci ovisnosti koje ljudi koriste. Ljudi koji su iskusili ovisnost o više tvari primijetili su da su duhanski proizvodi među kojima je najteže prestati. Budući da pušenje izaziva ovisnost i teško ga je zaustaviti, mnogi javni programi usmjereni su na sprječavanje ljudi da preuzmu navike pušenja, s ciljem smanjenja učestalosti bolesti povezanih s pušenjem u populaciji. Postoje jasne veze između pušenja i niza ozbiljnih medicinskih komplikacija, uključujući rak i kardiovaskularne bolesti.