Kai kurios skirtingos chemoterapijos cheminės medžiagos yra alkilinančios medžiagos, antimetabolitai ir augalų alkaloidai. Gydytojai taip pat gali naudoti antraciklinus įvairioms vėžio formoms gydyti. Visos chemoterapijos cheminės medžiagos turi vieną tikslą: sunaikinti vėžines ląsteles. Norėdami tai padaryti, dauguma šių vaistų yra nukreipti į ląstelės gebėjimą dalytis – procesą, vadinamą mitoze, kurią vėžio ląstelės patiria nekontroliuojamai. Kuo greičiau ląstelė dalijasi, tuo labiau tikėtina, kad chemoterapinis vaistas bus nukreiptas į ją, o tai paaiškina, kodėl taip pat gali būti paveiktos paprastai greitai besidalijančios ląstelės, tokios kaip randamos plaukų folikuluose.
Ląstelė, kuriai vyksta mitozė, pirmiausia turi atkartoti savo dezoksiribonukleino rūgštį (DNR), o tada išsiskirti į dvi identiškas dukterines ląsteles. Daugelis chemoterapinių cheminių medžiagų veikia, kad pakeistų arba sugadintų ląstelės DNR, nes jei ji pakankamai pakitusi arba pažeista, ląstelė patirs užprogramuotą ląstelių mirtį, procesą, vadinamą apoptoze. Kiekviena chemoterapijos cheminė medžiaga gali siekti šio tikslo skirtingai. Pavyzdžiui, antraciklinai veikia įsiterpdami arba įterpdami save į DNR dvigubos spiralės nukleotidus ir taip pat sukeldami laisvųjų radikalų žalą. Tai nutraukia DNR gebėjimą daugintis ir gali sukelti mutacijas ląstelėje.
Alkilinanti medžiaga, kita chemoterapijos cheminių medžiagų forma, sutrikdo ląstelių dalijimąsi, susijungdama su DNR ir ją pakeisdama. Tai daroma naudojant elektronegatyvumą – terminą, apibūdinantį ląstelės norą traukti elektronus. Kai DNR susijungia su alkilinančiu agentu, agentas sutrikdo ląstelės gebėjimą tinkamai dalytis, o tai gali sukelti apoptozę. Kadangi ši chemoterapijos cheminė medžiaga gali veikti visais ląstelės gyvavimo ciklo taškais, ji vadinama ne specifiniu ląstelių ciklu vaistu. Vaistas gali būti naudojamas įvairioms vėžio formoms gydyti, tačiau dėl to, kad jis pažeidžia DNR, gali išsivystyti tam tikros leukemijos rūšys.
Augalų alkaloidai yra chemoterapijos cheminės medžiagos, gaunamos iš augalinių šaltinių. Dviejų tipų augalų alkaloidai yra antimikrotubuliniai agentai ir topoizomerazės inhibitoriai. Antimikrotubulinės medžiagos apsaugo nuo ląstelių dalijimosi, nes slopina mikrotubulių, mažų, verpstiškų struktūrų, kurios padeda atskirti dvi dukterines ląsteles, funkciją. Topoizomerazės inhibitoriai sutrikdo DNR gebėjimą atsistatyti. Šie vaistai yra specifiniai ląstelių ciklui ir veikia tik ląsteles, kurios yra tam tikroje savo gyvavimo ciklo fazėje.
Kita chemoterapijos cheminė medžiaga, antimetabolitai, neleidžia ląstelei metabolizuoti tam tikrų cheminių medžiagų. Yra įvairių tipų antimetabolitų, kurių kiekvienas sutrikdo konkrečių medžiagų metabolizmą. Pavyzdžiui, folio antagonistai sutrikdo ląstelės gebėjimą įtraukti folatą – medžiagą, reikalingą DNR sintezei. Panašiai purino antagonistai sutrikdo ląstelės gebėjimą įtraukti puriną – DNR statybinį bloką. Be tinkamų medžiagų ląstelėje, ląstelė negali dalytis.