Фторурацил є аналогом урацила, компонента рибонуклеїнової кислоти. Вважається, що препарат працює як антиметаболит. Після внутрішньоклітинного перетворення в активний дезоксинуклеотидов він перешкоджає синтезу ДНК, блокуючи перетворення дезоксіуріділовоі кислоти в тимідилової кислоту за допомогою клітинного ферменту тимідилат синтетази. Фторурацил також може перешкоджати синтезу РНК.