La mercaptopurina compete con l'ipoxantina e la guanina per l'enzima guanina-ipoxantina fosforibosiltrasferasi ed è essa stessa convertita in acido tioinosinico (TIMP). Questo nucleotide inibisce diverse reazioni in cui è coinvolto l'acido inosinico (IMP), inclusa la sua conversione ad acido xantilico (XMP) e ad acido adenilico (AMP) previa conversione ad adenilsuccinato. In aggiunta, dalla metilazione del TIMP si forma metiltioinosinato. Entrambi, TIMP ed MTIMP inibiscono potenzialmente la amidofosforibosiltrasferasi. Alcuni esperimenti indicano il ritrovamento di mercaptopurina marcata nel DNA sotto forma di deossitioguanosina. Parte della mercaptopurina viene convertita a derivati nucleotidici della tioguanina (6-TG) dalla azione, in sequenza di IMP deidrogenasi e GMP sintetasi, che convertono il TIMP ad acido tioguanilico (TGMP).