Il bersaglio molecolare di ezetimibe è un trasportatore degli steroli, la proteina Niemann-Pick C1-Like 1, presente nell'uomo e nei primati sia nell'orletto a spazzola delle cellule epiteliali intestinali sia nella membrana canalicolare delle cellule epatiche e responsabile della captazione di colesterolo e fitosteroli. Nei roditori NPC1L1 è invece espressa esclusivamente nell'intestino tenue.