Бендамустин є біфункціональним похідним міхлоретаміну, що містить пуриноподібне бензимідазольне кільце. Міхлоретамін та його похідні утворюють електрофільні алкільні групи. Ці групи формують ковалентні зв’язки з електронно багатими нуклеофільними структурами, що призводить до утворення міжланцюгових перехресних зшивок ДНК. Біфункціональне ковалентне з’єднання може спричиняти загибель клітин кількома шляхами. Бендамустин активний як щодо клітин у стані спокою, так і тих, що діляться. Точний механізм дії бендамустину залишається невідомим.