Гемцитабін проявляє значну цитотоксичну дію на різні клітинні культури пухлин миші та людини. Дія гемцитабіну залежить від фази клітинного циклу, препарат у першу чергу знищує клітини, в яких відбувається синтез ДНК (S-фаза) та в певних умовах блокує перехід з G1‑фази у S-фазу клітинного циклу. Цитотоксичний ефект гемцитабіну in vitro залежить від його концентрації та тривалості впливу.