Il metronidazolo è un profarmaco, cioè diventa attivo all'interno dell'organismo dopo aver subito metabolismo. Nella fattispecie, affinché il farmaco diventi attivo, il nitrogruppo in posizione 5 dell'anello imidazolico deve essere ridotto a gruppo amminico. Una volta attivato, il metronidazolo aggredisce i microrganismi ospiti causando gravi danni al DNA e inibendo la sintesi degli acidi nucleici. Va altresì specificato che il farmaco non è in grado di eliminare microrganismi aerobi, in quanto l'ossigeno presente ossiderebbe l'ammina a nitrogruppo inattivando la molecola.