La doxorubicina agisce come agente intercalante, ovvero il farmaco si inserisce fra le basi del DNA e ne blocca la sintesi e la trascrizione. Inoltre determina anche una inibizione enzimatica: inibisce infatti l'attività dell'enzima topoisomerasi di tipo II.Entrambi i meccanismi portano a rotture nella doppia elica di DNA.