环磷酰胺是属于烷化剂类的细胞毒性药物。化学结构上归属氮芥类。在体外环磷酰胺无活性,在体内被肝微粒体酶激活,转变成 4-羟基环磷酰胺,等同于其异构体醛磷酰胺,这些异构体部分自发产生、部分酶性转换为非活性和活性代谢产物(特别是磷酰胺氮芥和丙烯醛)。环磷酰胺的细胞毒作用基于其烷化代谢物与 DNA 的相互作用。烷化的结果导致了 DNA 链断裂及与 DNA-蛋白交联的联结,导致细胞周期中 G2 被延迟。细胞毒性作用于细胞周期每一阶段是非特异的,但对细胞周期是特异的。丙烯醛没有抗肿瘤活性但引起泌尿系毒性副作用。此外,环磷酰胺可能的免疫抑制作用仍有争议。该药物与其他结构相似的烷化剂(例如:异环磷酰胺)的交叉耐药作用不能被排除。