On näidatud, et neurotransmitterid ja ADHD on omavahel seotud, kuna enamikul lastest, kellel on diagnoositud tähelepanupuudulikkuse ja hüperaktiivsuse häire, on neurotransmitterite tasakaalustamatuse ja düsfunktsiooni kliinilised sümptomid. Teatud levinumad neurotransmitterid ja ADHD on omavahel seotud, kuna oletatakse, et neurotransmitterite tootmis-, transpordi- ja tagasihaardemehhanismides esinevad kõrvalekalded, mis on mõnikord kergesti nähtavad ADHD-patsientide ajupildis. Neurotransmitterid dopamiin, norepinefriin ja serotoniin on ADHD ravis kõige paremini uuritud ja kõige sagedamini suunatud. Näiteks arvatakse, et madal dopamiinisisaldus on paljude häire esmaste sümptomite põhjuseks ja seda ravitakse stimulantide tüüpi ravimitega, mis aitavad organismil neurotransmitterit tõhusamalt toota, transportida ja metaboliseerida. Norepinefriin ja serotoniin on ADHD oletatava etioloogia uuemad täiendused; ravis kasutatakse ka ravimeid, mis on suunatud nendele neurotransmitteritele.
Lisaks on neurotransmitterid ja ADHD seotud selle poolest, et teatud neurotransmitterite geenimutatsioonid võivad põhjustada ADHD diagnoosimisel täheldatud alarühmi. Uuringud näitavad, et valdavalt tähelepanematu häire vormiga patsientidel on norepinefriini transporteri geenis kõrvalekaldeid, samas kui hüperaktiivsemate sümptomitega patsientidel on dopamiini transpordigeenis kõrvalekaldeid. Vanderbilti ülikooli uurimiskeskus teatab, et kõrvalekaldeid võib esineda ka aju koliini transpordisüsteemis, mis mängib olulist rolli neuronaalses kommunikatsioonis ja mille toime on võrreldav nii dopamiini kui ka norepinefriiniga. See uuring näitab, et silmapiiril võivad olla uuemad, sihipärasemad ADHD ravimid. Geneetiline testimine võib saada hindamatuks vahendiks, et määrata, millist ravimeetodit kõigepealt kasutada; eelis, mida hinnatakse eriti siis, kui väikelastele määratakse võimsaid psühhoaktiivseid ravimeid.
Duke’i ülikooli teadlased uurisid täiendavalt neurotransmitterite ja ADHD vahelisi seoseid. Teadlased jõudsid järeldusele, et Ritaliin, ravim, mida sageli kasutatakse ADHD ravis esmavaliku kaitsevahendina, toimib lisaks dopamiini retseptori saitidele ka serotoniini retseptori saitidele. Täiendavad testid näitasid, et ravi teatud serotogeensete ainetega, nagu selektiivsed serotoniini tagasihaarde inhibiitorid (SSRIS), võib aidata mõnel patsiendil hüperaktiivsust vähendada. Lisaks on madal serotoniinitase seotud agressiivsuse ja agitatsiooniga, mis on mõlemad sümptomid mõnel ADHD puhul. Serotoniini vahendavad ajus 15 erinevat retseptorit, mis muudab sihipärase serotogeense ravi väljakutseks.
Teised neurotransmitterid ja ADHD näitavad märke, et need võivad olla korrelatsioonis. 2001. aastal neurotransmitteriks tunnistatud fenüületlamiin (PEA) suurendab aju aktiivsust ja erksust. Sel põhjusel leiavad teadlased, et PEA on seotud mõne ADHD juhtumiga. Lisaks on dopamiin ja PEA keemilises struktuuris tihedalt seotud, mis annab hüpoteesile rohkem usaldusväärsust.