Beberapa jenis bahan kimia kemoterapi yang berbeda adalah agen alkilasi, antimetabolit, dan alkaloid tanaman. Dokter juga dapat menggunakan antrasiklin untuk mengobati berbagai bentuk kanker. Semua bahan kimia kemoterapi memiliki satu tujuan: untuk membunuh sel kanker. Untuk melakukan ini, sebagian besar obat ini menargetkan kemampuan sel untuk membelah — sebuah proses yang disebut mitosis, yang dialami sel kanker secara tak terkendali. Semakin cepat sel membelah, semakin besar kemungkinan obat kemoterapi akan menargetkannya, yang menjelaskan mengapa sel yang biasanya membelah dengan cepat, seperti yang ditemukan di folikel rambut, juga dapat terpengaruh.
Sebuah sel yang mengalami mitosis pertama-tama harus mereplikasi asam deoksiribonukleat (DNA) dan kemudian terpisah menjadi dua sel anak yang identik. Banyak bahan kimia kemoterapi bekerja untuk mengubah atau merusak DNA sel karena jika diubah atau cukup rusak, dan sel akan mengalami kematian sel terprogram, suatu proses yang disebut apoptosis. Setiap bahan kimia kemoterapi mungkin berusaha mencapai tujuan ini dengan cara yang berbeda. Misalnya, anthracyclines bekerja dengan interkalasi, atau memasukkan diri mereka sendiri, dalam nukleotida heliks ganda DNA dan juga dengan menyebabkan kerusakan radikal bebas. Ini mengganggu kemampuan DNA untuk mereplikasi dirinya sendiri dan dapat menyebabkan mutasi di dalam sel.
Agen alkilasi, bentuk lain dari bahan kimia kemoterapi, bekerja untuk mengganggu pembelahan sel dengan mengikat DNA dan mengubahnya. Ini dilakukan dengan menggunakan elektronegativitas, istilah yang digunakan untuk menggambarkan keinginan sel untuk menarik elektron. Ketika ikatan DNA dengan agen alkilasi, agen mengganggu kemampuan sel untuk membelah dengan benar, hasil yang dapat menyebabkan apoptosis. Karena bahan kimia kemoterapi ini dapat bekerja di semua titik siklus hidup sel, obat ini disebut obat spesifik siklus non sel. Obat ini dapat digunakan untuk mengobati berbagai jenis kanker, tetapi karena merusak DNA, obat ini juga dapat menyebabkan berkembangnya jenis leukemia tertentu.
Alkaloid tanaman adalah bahan kimia kemoterapi yang berasal dari sumber tanaman. Dua jenis alkaloid tanaman adalah agen antimikrotubulus dan inhibitor topoisomerase. Agen antimikrotubulus bekerja untuk mencegah pembelahan sel dengan menghambat fungsi mikrotubulus, kecil, struktur seperti gelendong yang membantu menarik dua sel anak terpisah. Inhibitor topoisomerase mengganggu kemampuan DNA untuk memperbaiki dirinya sendiri. Obat ini bersifat spesifik siklus sel dan hanya mempengaruhi sel yang berada pada fase tertentu dalam siklus hidupnya.
Bahan kimia kemoterapi lainnya, antimetabolit, mencegah sel memetabolisme bahan kimia tertentu. Ada berbagai jenis antimetabolit, dan masing-masing mengganggu metabolisme zat tertentu. Misalnya, antagonis folat, mengganggu kemampuan sel untuk memasukkan folat, zat yang diperlukan untuk sintesis DNA. Demikian pula, antagonis purin mengganggu kemampuan sel untuk memasukkan purin, bahan penyusun DNA. Tanpa zat yang tepat di dalam sel, sel tidak dapat membelah.