Lenalidomida se leagă direct de cereblon, o componentă a complexului enzimatic ubiquitin ligază EZ, care include proteina 1 de legare a acidului dezoxiribonucleic (ADN) deteriorată (DDB 1), culina 4 (CUL4) și regulatorul culinei 1 (Rocl). În celulele hematopoietice, lenalidomida se leagă de cereblon pentru a acumula proteinele substrat Aiolos și Ikaros, care sunt factori de transcripție limfoizi, ducând la ubiquitinarea și degradarea ulterioară a acestora, având ca rezultat efecte citotoxice și imunomodulatoare directe.