Dažas no dažāda veida ķīmijterapijas ķimikālijām ir alkilētāji, antimetabolīti un augu alkaloīdi. Ārsti var arī lietot antraciklīnus dažādu vēža formu ārstēšanai. Visām ķīmijterapijas ķimikālijām ir viens mērķis: iznīcināt vēža šūnas. Lai to izdarītu, lielākā daļa šo zāļu ir vērstas uz šūnu spēju dalīties – procesu, ko sauc par mitozi, ko vēža šūnas nekontrolējami iziet. Jo ātrāk šūna dalās, jo lielāka iespējamība, ka ķīmijterapijas zāles būs vērstas uz to, un tas izskaidro, kāpēc var tikt ietekmētas arī parasti ātri dalošās šūnas, piemēram, tās, kas atrodamas matu folikulās.
Šūnai, kurai tiek veikta mitoze, vispirms jāreplicē sava dezoksiribonukleīnskābe (DNS) un pēc tam jāatdala divās identiskās meitas šūnās. Daudzas ķīmijterapijas ķimikālijas darbojas, lai mainītu vai bojātu šūnas DNS, jo, ja tā ir pietiekami izmainīta vai bojāta, šūna tiks pakļauta ieprogrammētai šūnu nāvei, ko sauc par apoptozi. Katra ķīmijterapijas ķīmiskā viela var mēģināt sasniegt šo mērķi atšķirīgā veidā. Piemēram, antraciklīni darbojas, interkalējoties vai ievietojot sevi DNS dubultās spirāles nukleotīdos, kā arī izraisot brīvo radikāļu bojājumus. Tas pārtrauc DNS spēju vairoties un var izraisīt mutācijas šūnā.
Alkilējošais līdzeklis, cita veida ķīmijterapijas ķimikālijas, darbojas, lai izjauktu šūnu dalīšanos, saistot to ar DNS un mainot to. Tas tiek darīts, izmantojot elektronegativitāti — terminu, ko lieto, lai aprakstītu šūnas vēlmi piesaistīt elektronus. Kad DNS saistās ar alkilējošo aģentu, aģents izjauc šūnas spēju pareizi dalīties, kā rezultātā var rasties apoptoze. Tā kā šī ķīmijterapijas ķīmiskā viela var darboties visos šūnas dzīves cikla punktos, to sauc par zālēm, kas nav specifiskas šūnu ciklam. Šīs zāles var lietot dažādu vēža veidu ārstēšanai, taču, tā kā tās bojā DNS, tās var izraisīt arī noteiktu leikēmijas veidu attīstību.
Augu alkaloīdi ir ķīmijterapijas ķīmiskās vielas, kas iegūtas no augu avotiem. Divu veidu augu alkaloīdi ir pretmikrotubulu līdzekļi un topoizomerāzes inhibitori. Pretmikrotubulu līdzekļi darbojas, lai novērstu šūnu dalīšanos, kavējot mikrotubulu darbību, mazas, vārpstveida struktūras, kas palīdz atdalīt abas meitas šūnas. Topoizomerāzes inhibitori traucē DNS spēju sevi labot. Šīs zāles ir specifiskas šūnu ciklam un ietekmē tikai tās šūnas, kas atrodas noteiktā dzīves cikla fāzē.
Vēl viena no ķīmijterapijas ķimikālijām, antimetabolīti, neļauj šūnai metabolizēt noteiktas ķīmiskas vielas. Ir dažādi antimetabolītu veidi, un katrs no tiem traucē noteiktu vielu metabolismu. Piemēram, folātu antagonisti traucē šūnas spēju iekļaut folātu, vielu, kas nepieciešama DNS sintēzei. Līdzīgi purīna antagonisti izjauc šūnas spēju iekļaut purīnu, DNS celtniecības bloku. Ja šūnā nav atbilstošu vielu, šūna nespēj dalīties.