По механизмам действия выделяют несколько групп препаратов. Их классификация не имеет жесткой структуры и связана с особенностями воздействия препарата на клетку:

Алкилирующие агенты. Механизм их действия объясняется образованием прочных ковалентных связей с цепочкой ДНК. Воздействие алкилирующих агентов способствует ошибкам считывания информации и, как следствие, подавлению синтеза соответствующих данному коду белков. Примерами лекарственных веществ из данной группы являются Циклофосфан, Эмбихин, препараты нитрозомочевины.
Антибиотики.Часть антибиотиков обладает противоопухолевой активностью, воздействуя на разные фазы клеточного цикла, а потому все они имеют разные механизмы воздействия на работу клетки. К антибиотикам противоопухолевого действия относятся Доксорубицин и Митомицин. Эпирубицин относится к антибиотикам антрациклинового ряда.
Антиметаболиты. Механизм их действия связан с блокированием естественных обменных процессов в клетке. Например, Метотрексат по структуре похож на фолиевую кислоту, необходимую для нормальной жизнедеятельности клетки. Поэтому Метотрексат будет блокировать ее использование, нарушая работу обслуживающего ее фермента дигидрофолатредуктазы. Клетка при этом погибает за счет избыточного накопления окисленной формы фолата. Примеры других препаратов: цитарабин, 5-флюороурацил. К этой же группе относятся Фторурацил, Гемцитабин.
Антрациклины. Имеют в своем составе антрациклиновое кольцо, которое способно взаимодействовать с ДНК. Считается также, что они способны угнетать ядерный фермент топоизомеразу-II и образовывать большое количество свободных радикалов, которые, в свою очередь, также могут повреждать структуру ДНК. Примерами препаратов являются Рубомицин, Адрибластин.
Винкалкалоиды.Названы так в честь растения Vinca rosea, из которого они получены. Механизм действия их действия объясняется возможностью связывания белка тубулина, формирующего цитоскелет. Цитоскелет необходим клетке и в фазе покоя и при митозе. Отсутствие цитоскелета нарушает правильную миграцию хромосом в процессе деления, что в итоге приводит клетку к гибели. Более того, злокачественные клетки более чувствительны к винаклклоидам, чем здоровые клетки, т.к. комплекс «винка-тубулин» в опухолевой ткани более стабилен. Примеры препаратов: Винбластин, Винкристин, Виндезин.
Препараты платины.Платина относится к тяжелым металлам, а потому токсична для организма. По механизму действия напоминает алкилирующие агенты. Попадая внутрь клетки препараты платины способны взаимодействовать с ДНК, нарушая ее структуру и функцию. К препаратам этой группы относится, в частности, Цисплатин.
Эпиподофиллотоксины. Синтетические аналоги веществ из экстракта мандрагоры. Действуют на ядерный фермент топоизомеразу-II и собственно ДНК. Примеры препаратов: Этопозид, Тенипозид.

Другие цитостатики. Невзирая на различные пути воздействия, конечные точки приложения их напоминают уже перечисленные препараты. Часть из них по действию напоминает алкилирующие агенты (дакарбазин, прокарбазин), часть воздействует на топоизомеразу (амсакрин), часть можно условно отнести к антиметаболитам (L-аспарагиназа, гидроксимочевина). Неплохими цитостатиками являются и кортикостероиды, иногда применяемые при лечении опухолей.