Cette enzyme clive spécifiquement le fibrinogène, en coupant des parties spécifiques de la molécule, ce qui libère des fragments de fibrine insolubles. Ces fragments de fibrine polymérisent pour former un réseau tridimensionnel de fibrine, qui renforce et stabilise le caillot sanguin. La thrombine peut activer d'autres facteurs de coagulation et protéines du plasma sanguin, ainsi que des récepteurs spécifiques sur les cellules endothéliales, les plaquettes et d'autres types cellulaires, contribuant ainsi à la régulation de la coagulation, de l'inflammation et d'autres processus physiologiques. 

La thrombine est régulée par divers mécanismes pour éviter une coagulation excessive ou inappropriée. Des inhibiteurs spécifiques, tels que l'antithrombine et la protéine C, ainsi que des mécanismes de rétroaction négative dans la cascade de coagulation, contribuent à maintenir l'équilibre entre la formation et la dissolution du caillot.