Бендамустин является бифункциональным производным михлоретамина, содержащим пуринообразное бензимидазольное кольцо. Михлорэтамин и его производные образуют электрофильные алкильные группы. Эти группы формируют ковалентные связи с электронно богатыми нуклеофильными структурами, что приводит к образованию межцепных перекрестных сшивок ДНК. Бифункциональное ковалентное соединение может вызвать гибель клеток несколькими путями. Бендамустин активен как в отношении клеток в состоянии покоя, так и делящихся. Точный механизм действия бендамустина остается неизвестен.