A principal ação da heparina consiste na estimulação da antitrombina III. Na presença da antitrombina III, a trombina deixa de estimular a fragmentação do fibrinogênio para formar os monômeros da fibrina. Desse modo, o coágulo não se forma. A heparina liga-se à molécula da antitrombina III, tornando-a cerca de 1.000 a 2.500 vezes mais potente na função de inibir a trombina. A antitrombina III também inibe os efeitos dos produtos de ativação dos fatores IX, X, XI e XII na via intrínseca da coagulação; portanto, a heparina também contribui para impedir a atuação daqueles fatores, ao acelerar a atividade da antitrombina III.