Nekatere od različnih vrst kemikalij za kemoterapijo so alkilirajoča sredstva, antimetaboliti in rastlinski alkaloidi. Zdravniki lahko uporabljajo tudi antracikline za zdravljenje različnih oblik raka. Vse kemikalije za kemoterapijo imajo en cilj: ubiti rakave celice. Da bi to naredili, večina teh zdravil cilja na sposobnost celice, da se deli – proces, imenovan mitoza, ki se mu rakave celice nenadzorovano podvržejo. Hitreje kot se celica deli, večja je verjetnost, da bo zdravilo za kemoterapijo ciljalo nanjo, kar pojasnjuje, zakaj so lahko prizadete tudi normalno hitro deljive celice, kot so tiste v lasnih mešičkih.
Celica, ki je podvržena mitozi, mora najprej ponoviti svojo deoksiribonukleinsko kislino (DNK) in nato ločiti v dve enaki hčerinski celici. Številne kemikalije za kemoterapijo delujejo tako, da spremenijo ali poškodujejo DNK celice, ker če je ta dovolj spremenjena ali poškodovana, bo celica podvržena programirani celični smrti, procesu, imenovanemu apoptoza. Vsaka kemikalija za kemoterapijo lahko poskuša doseči ta cilj na drugačen način. Na primer, antraciklini delujejo tako, da se interkalirajo ali vstavijo v nukleotide dvojne vijačnice DNK in tudi tako, da povzročajo poškodbe prostih radikalov. To prekine sposobnost DNK, da se sama replicira, in lahko povzroči mutacije v celici.
Alkilacijsko sredstvo, druga oblika kemikalij za kemoterapijo, deluje tako, da moti delitev celic, tako da se veže z DNK in jo spremeni. To naredi z uporabo elektronegativnosti, izraza, ki se uporablja za opis želje celice po črpanju elektronov. Ko se DNK veže z alkilirnim sredstvom, sredstvo moti sposobnost celice, da se pravilno deli, kar lahko povzroči apoptozo. Ker lahko ta kemikalija za kemoterapijo deluje na vseh točkah življenjskega cikla celice, se imenuje zdravilo, ki ni specifično za celični cikel. Zdravilo se lahko uporablja za zdravljenje različnih vrst raka, a ker poškoduje DNK, lahko povzroči tudi razvoj nekaterih vrst levkemije.
Rastlinski alkaloidi so kemikalije za kemoterapijo, ki so pridobljene iz rastlinskih virov. Dve vrsti rastlinskih alkaloidov sta antimikrotubulna sredstva in zaviralci topoizomeraze. Antimikrotubulna sredstva preprečujejo delitev celic z zaviranjem delovanja mikrotubulov, majhnih vretenastih struktur, ki pomagajo ločiti dve hčerinski celici. Zaviralci topoizomeraze motijo sposobnost DNK, da se popravi. Ta zdravila so specifična za celični cikel in vplivajo le na celice, ki so v določeni fazi svojega življenjskega cikla.
Druga kemoterapevtska kemikalija, antimetaboliti, preprečuje, da bi celica presnavljala določene kemikalije. Obstajajo različne vrste antimetabolitov in vsak moti presnovo določenih snovi. Na primer, antagonisti folata motijo sposobnost celice, da vključi folat, snov, ki je potrebna za sintezo DNK. Podobno antagonisti purina motijo sposobnost celice, da vključi purin, gradnik DNK. Brez ustreznih snovi v celici se celica ne more deliti.