Nell'uomo la farmacocinetica della pentostatina è lineare e le concentrazioni plasmatiche aumentano proporzionalmente alla dose. In seguito a somministrazione di una dose singola di 4 mg/m², per perfusione di 5 minuti, l'emivita terminale media è di 5,7 ore (valori compresi tra 2,6 e 10 ore), la clearance plasmatica media è di 68 ml/min/m² e quasi il 90% della dose è eliminato con le urine in forma di pentostatina immodificata e/o di metaboliti (come evidenziato dalla determinazione dell'attività di inibizione dell'adenosina deaminasi). Studi su animali hanno dimostrato che il farmaco si distribuisce rapidamente in tutti i tessuti corporei, raggiungendo nei diversi organi concentrazioni variabili a seconda delle specie. 