Gemcitabina prezintă efecte citotoxice semnificative asupra diferitelor culturi de celule tumorale la șoareci și oameni. Acțiunea gemcitabinei este dependentă de faza ciclului celular, distrugând în principal celulele în care are loc sinteza ADN-ului (faza S) și, în anumite condiții, blocând tranziția de la faza G1 la faza S a ciclului celular. Efectul citotoxic al gemcitabinei in vitro depinde de concentrația sa și de durata expunerii.