Mark Thompson skrev i en blogg att BBC hade sett "bekymrande nya taktik", inklusive målinriktningen av familjemedlemmar till dem som arbetar utanför Iran.
Förra veckan fängslades systern till en persisk medlem av BBC och hölls i isoleringscell i ett fängelse i Teheran.
Iran anklagade BBC för att väcka oro efter det omtvistade omvalet av president Mahmoud Ahmadinejad 2009.
BBC Persiska sända online-videor och intervjuade demonstranter, som beskrev dödsfall, skador och godtyckliga arresteringar utförs av säkerhetsstyrkor.
I sin blogg skrev Thompson att "inblandning och trakasserier från de iranska myndigheterna har blivit en utmaning för BBC:s persiska personal".
"Under de senaste månaderna har vi bevittnat ökade nivåer av hot och störande nya taktik," tillade han.
"Detta inkluderar ett försök att sätta press på dem som arbetar för BBC Persiska utanför Iran, genom att rikta familjemedlemmar som fortfarande bor inne i landet."
Mr Thompson avslöjade att förra veckan arresterades systern till en persisk medarbetare i BBC och hölls i isoleringscell för ospecificerade anklagelser i Evinfängelset i huvudstaden Teheran.
"Även om hon nu har frigivits mot borgen, var hennes behandling mycket beklagansvärd och vi fördömer den i starkast möjliga ordalag."
Human Rights Watch sade att en man som påstod sig vara släktingens förhörsledare på Evin vid ett tillfälle ringde personalmedlemmen i London och erbjöd sig att släppa henne i utbyte mot information om BBC.
Thompson sade att personalen också hade ställts inför falska anklagelser om sexuella övergrepp, narkotikahandel och ekonomiska brott.
Under de senaste månaderna har ett antal släktingar till BBC Persisk personal hållits fängslade under korta perioder av de iranska myndigheterna och uppmanats att få sina släktingar i London att antingen sluta arbeta för BBC, eller att "samarbeta" med iranska underrättelsetjänstemän, sade Thompson.
I andra fall har familjemedlemmars pass konfiskerats, vilket hindrar dem från att lämna Iran, tillade han.
"Detta har gjort många BBC Persiska personal alltför rädd för att återvända till landet, även för att besöka sjuka eller äldre släktingar."
Han sade att vissa också hade fått sina Facebook- och e-postkonton hackade, och utsatts för en "sammanhängande ström av falska och förtalande anklagelser... i de officiella iranska medierna, allt från anklagelser om allvarliga sexuella övergrepp, narkotikahandel, och brottsligt ekonomiskt beteende".
Vissa rapporter hävdade att de hade konverterat från islam till kristendomen eller Bahai tro - potentiellt ett dödsstraff i Iran som det anses vara avfall.
Chefen för Human Rights Watch i Mellanöstern, Sarah Leah Whitson, sade att de iranska myndigheternas agerande antydde att de försökte tysta reportrar och BBC, och sände "ett budskap om att regeringens långa arm av förtryck kan sträcka sig långt bortom gränserna".
Förenade kungarikets Mellanösternminister Alistair Burt sade att iranska tjänstemäns "fördömda taktik åter illustrerar den försämrade situationen för de mänskliga rättigheterna i Iran och den iranska regimens desperation att tysta alla oberoende röster".
BBC: s generaldirektör har anklagat de iranska myndigheterna för att skrämma dem som arbetar för dess persiska tjänst.