吉西他滨主要作用于 DNA 合成期的细胞,可以阻止细胞由 G1 期进入 S 期。吉西他滨可被核苷激酶代谢为二磷酸核苷(dFdCDP)和三磷酸核苷(dFdCTP)。 dFdCDP 抑制核苷酸还原酶(负责催化生成 DNA 合成所必需的三磷酸脱氧核苷),导致包括 dCTP 在内的脱氧核苷浓度降低。dFdCTP 与 dCTP 竞争掺入至 DNA 链中。dFdCDP 引发的细胞内 dCTP 浓度降低更加有利于 dFdCTP 掺入至 DNA 链中(自增强作用)。吉西他滨核苷掺入至 DNA 链之后,延伸的 DNA 链中只增加一个额外的核苷酸,最终导致凋亡性细胞死亡的启动。