Азатиоприн является пролекарством 6-меркаптопурина (6-МП). 6-МП неактивен, но он действует как антагонист пурина и для иммуносупрессии требует клеточного поглощения и внутриклеточного анаболизма к нуклеотидам тиогуанина (НТГ). НТГ и другие метаболиты (например, рибонуклеотиды 6-метил-меркаптопурина) подавляют de novo синтез пурина и взаимопревращение нуклеотидов пурина. НТГ также инкорпорированы в нуклеиновые кислоты, и это способствует иммуносупрессивным эффектам препарата.