甲氨蝶呤对二氢叶酸还原酶有强大而持久的抑制作用，使5，10-甲撑四氢叶酸不足，脱氧胸苷酸dTMP合成受阻，影响DNA合成，MTX也可阻止嘌呤核苷酸的合成，因为嘌呤环上的第2和第8碳原子是由FH4携带的一碳基团如-CHO-，=C-所供给，故能干扰RNA和蛋白质的合成。