Μερικοί από τους διαφορετικούς τύπους χημικών ουσιών χημειοθεραπείας είναι αλκυλιωτικοί παράγοντες, αντιμεταβολίτες και φυτικά αλκαλοειδή. Οι γιατροί μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν ανθρακυκλίνες για τη θεραπεία διαφόρων μορφών καρκίνου. Όλες οι χημικές ουσίες χημειοθεραπείας έχουν έναν στόχο: να εξοντώσουν τα καρκινικά κύτταρα. Για να γίνει αυτό, τα περισσότερα από αυτά τα φάρμακα στοχεύουν στην ικανότητα ενός κυττάρου να διαιρείται – μια διαδικασία που ονομάζεται μίτωση, στην οποία τα καρκινικά κύτταρα υφίστανται ανεξέλεγκτα. Όσο πιο γρήγορα διαιρείται ένα κύτταρο, τόσο πιο πιθανό είναι ένα φάρμακο χημειοθεραπείας να το στοχεύσει, γεγονός που εξηγεί γιατί τα κύτταρα που συνήθως διαιρούνται γρήγορα, όπως αυτά που βρίσκονται στους θύλακες των τριχών, μπορεί επίσης να επηρεαστούν.
Ένα κύτταρο που υφίσταται μίτωση πρέπει πρώτα να αντιγράψει το δεοξυριβονουκλεϊκό του οξύ (DNA) και στη συνέχεια να χωριστεί σε δύο πανομοιότυπα θυγατρικά κύτταρα. Πολλές χημικές ουσίες χημειοθεραπείας λειτουργούν για να αλλάξουν ή να καταστρέψουν το DNA ενός κυττάρου, επειδή εάν αλλοιωθεί ή καταστραφεί αρκετά, και το κύτταρο θα υποστεί προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο, μια διαδικασία που ονομάζεται απόπτωση. Κάθε χημική ουσία χημειοθεραπείας μπορεί να επιδιώξει να επιτύχει αυτόν τον στόχο με διαφορετικό τρόπο. Για παράδειγμα, οι ανθρακυκλίνες λειτουργούν παρεμβάλλοντας ή εισάγοντας τον εαυτό τους μέσα στα νουκλεοτίδια της διπλής έλικας του DNA και επίσης προκαλώντας βλάβη από ελεύθερες ρίζες. Αυτό διακόπτει την ικανότητα του DNA να αντιγράφεται και μπορεί να προκαλέσει μεταλλάξεις μέσα στο κύτταρο.
Ένας αλκυλιωτικός παράγοντας, μια άλλη μορφή χημικών ουσιών χημειοθεραπείας, λειτουργεί για να διαταράξει την κυτταρική διαίρεση δεσμεύοντας με το DNA και αλλοιώνοντάς το. Αυτό το κάνει χρησιμοποιώντας ηλεκτραρνητικότητα, έναν όρο που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την επιθυμία ενός κυττάρου να τραβήξει ηλεκτρόνια. Όταν το DNA συνδέεται με τον αλκυλιωτικό παράγοντα, ο παράγοντας διαταράσσει την ικανότητα του κυττάρου να διαιρείται σωστά, ένα αποτέλεσμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε απόπτωση. Δεδομένου ότι αυτή η χημική ουσία χημειοθεραπείας μπορεί να δράσει σε όλα τα σημεία του κύκλου ζωής ενός κυττάρου, ονομάζεται φάρμακο που δεν είναι ειδικό για τον κυτταρικό κύκλο. Το φάρμακο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία μιας ποικιλίας διαφορετικών καρκίνων, αλλά επειδή βλάπτει το DNA, μπορεί επίσης να οδηγήσει στην ανάπτυξη ορισμένων τύπων λευχαιμίας.
Τα φυτικά αλκαλοειδή είναι χημικές ουσίες χημειοθεραπείας που προέρχονται από φυτικές πηγές. Δύο τύποι φυτικών αλκαλοειδών είναι οι αντιμικροσωληνίσκοι παράγοντες και οι αναστολείς τοποϊσομεράσης. Οι αντιμικροσωληνίσκοι δρουν για να αποτρέψουν την κυτταρική διαίρεση αναστέλλοντας τη λειτουργία μικροσωληνίσκων, μικρών, ατρακτοειδών δομών που βοηθούν στην απομάκρυνση των δύο θυγατρικών κυττάρων. Οι αναστολείς τοποϊσομεράσης διαταράσσουν την ικανότητα του DNA να επιδιορθώνεται. Αυτά τα φάρμακα είναι ειδικά για τον κυτταρικό κύκλο και επηρεάζουν μόνο κύτταρα που βρίσκονται σε μια ορισμένη φάση του κύκλου ζωής τους.
Μια άλλη από τις χημικές ουσίες χημειοθεραπείας, οι αντιμεταβολίτες, εμποδίζει το κύτταρο να μεταβολίσει ορισμένες χημικές ουσίες. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι αντιμεταβολιτών και ο καθένας διακόπτει τον μεταβολισμό συγκεκριμένων ουσιών. Για παράδειγμα, οι ανταγωνιστές φυλλικού οξέος, διαταράσσουν την ικανότητα του κυττάρου να ενσωματώνει φυλλικό οξύ, μια ουσία απαραίτητη για τη σύνθεση του DNA. Ομοίως, οι ανταγωνιστές πουρίνης διαταράσσουν την ικανότητα του κυττάρου να ενσωματώνει πουρίνη, ένα δομικό στοιχείο του DNA. Χωρίς τις κατάλληλες ουσίες στο κύτταρο, το κύτταρο δεν είναι σε θέση να διαιρεθεί.