La clorochina entra nei globuli rossi per diffusione semplice, inibendo la cellula parassitaria e il vacuolo digestivo. La clorochina viene quindi protonata (fino a CQ2+), poiché il vacuolo digestivo è acido (pH 4.7); la clorochina non può più uscire per diffusione. La clorochina ricopre le molecole di emozoina per prevenire l'ulteriore biocristallizzazione dell'eme, portando all'accumulo di eme. La clorochina si lega all'eme per formare un complesso altamente tossico per le cellule, interrompendo le funzioni della membrana. L'azione dell'eme-clorochina provoca la lisi cellulare e l'autodigestione delle cellule parassitarie. I parassiti che non formano emozoina sono resistenti alla clorochina.