阿糖胞苷是一種抗代謝類的細胞生長抑制劑。 其抗腫瘤作用源自選擇性抑制DNS合成，尤其作用于S期。阿糖胞苷作為嘧啶拮抗劑在細胞內轉變成阿糖胞苷三磷酸鹽（Ara-CTP）。Ara-CTP競爭性地抑制DNS聚合酶。此外，由于阿糖胞苷的參入使DNS合成受到抑制。阿糖胞苷的細胞生長抑制作用無論直接在S期還是DNS合成的持久抑制期，都具有劑量依賴性。
阿糖胞苷還具有以下多種抑制作用機理：
膜轉換抑制，磷酸化酶的缺乏，非活性酶的活性增加，DNS聚合酶的親和力降低或dCTP-庫的增加。阿糖胞苷的細胞毒性作用可以通過細胞內持續的Ara-CTP高濃度得到證實。
毒理：1）急性毒性：急性毒性試驗顯示LD50值如下：
小鼠 靜脈給藥約2000mg阿糖胞苷/kg，
腹膜內給藥 >5000mg阿糖胞苷/kg，
雌鼠口服給藥 1930mg阿糖胞苷/kg，
雄鼠口服給藥 3550mg阿糖胞苷/kg。
大鼠 腹膜內給藥 >1000mg阿糖胞苷/kg，
獼猴 靜脈給藥 >2000mg阿糖胞苷/kg。
2）亞慢性和慢性毒性：
對小鼠，大鼠，狗和猴進行亞慢性毒性試驗（8天至最長4周）在某種程度上不符合文獻的報道。可以明顯觀察到骨髓抑制引起的血細胞計數改變。
沒有觀察阿糖胞苷的慢性毒性。
3）誘變和致癌的潛在性
動物試驗表明阿糖胞苷具有誘變性。對人體，使用阿糖胞苷治療后曾經觀察到周圍淋巴細胞的染色體缺損。
無法長期觀察致癌的潛在性。對小鼠和大鼠觀察6個月以上期間沒有顯示任何致癌增加的潛在性。
局部耐受性：
經過許多年（25年以上）的使用，經過所注冊的不同的給藥途徑如靜脈注射，肌注，皮下和鞘內注射，均具有耐受性。
4）生殖毒性：
阿糖胞苷在幾種動物中均顯示了致畸作用。骨骼，眼，腦和腎的畸形均觀察到。對人體，獲得的資料不全，有關畸形的危險性大約為1：8。至今為止，曾觀察到四肢，外耳和聽力通道的畸形。在懷孕的第三個三月期顯示可以引起胎兒/新生兒生長發育遲緩和各類血細胞減少。