Il busulfan è un alchilsulfonato. È un agente alchilante che forma legami tra le basi azotate del DNA, in particolare tra guanina e adenina e tra guanina e guanina. Questi forti legami tra basi impediscono la replicazione del DNA. Poiché questi reticoli di DNA non possono essere riparati (rimossi) da altri enzimi cellulari, la cellula dopo il trattamento con busulfan va incontro all'apoptosi.