磷酸氟达拉滨被快速地去磷酸化成为 2F-ara-A,后者可以被细胞摄取,然后被细胞内的脱氧胞苷激酶磷酸化后成为有活性的三磷酸盐 2F-ara-ATP。该代谢产物可以通过抑制核苷酸还原酶、DNA 聚合酶α、δ和ε,DNA 引物酶和 DNA 连接酶从而抑制 DNA 的合成。此外,还可以部分抑制 RNA 聚合酶 II 从而减少蛋白的合成。
虽然对于 2F-ara-ATP 的作用机理在有些方面还不十分清楚,推测主要是通过影响 DNA、RNA 和蛋白质的合成而抑制细胞生长,其中抑制 DNA 的合成是其主要作用。另外,体外研究显示,慢性淋巴细胞白血病(CLL)的淋巴细胞用 2F-ara-A 处理后,出现广泛的 DNA 断裂和以凋亡为特征的细胞死亡。