Diazepam wykazuje silne działanie przeciwdrgawkowe, uspokajające, przeciwlękowe, nasenne i obniżające napięcie mięśniowe. Lek hamuje odruchy rdzeniowe.
Wskazaniami do stosowania diazepamu są doraźne i krótkotrwałe (do 4 tyg.) leczenie stanów lękowych, które mogą być również związane z bezsennością; leczenie objawów nagłego odstawienia alkoholu, stanów zwiększonego napięcia mięśniowego, rzucawki ciężarnych, tężca, stanów ze zwiększonym napięciem mięśniowym, lęku napadowego. Diazepam jest stosowany jako lek uspokajający w premedykacji (farmakologicznym przygotowaniu) do zabiegów diagnostycznych i chirurgicznych oraz w celu wywołania uspokojenia po operacji, pomocniczo jako lek przeciwdrgawkowy w leczeniu niektórych typów padaczki. Stosowany doodbytniczo należy do podstawowych leków w leczeniu stanu padaczkowego. U dzieci jest stosowany w leczeniu drgawek gorączkowych.