Mecanismul de acțiune al lenalidomidei se bazează pe proprietăți antitumorale, antiangiogenice, proeritropoietice și imunomodulatoare. Lenalidomida inhibă proliferarea celulelor unor tumori hematopoietice, inclusiv tumorile plasmocitare ale mielomului multiplu (MM), tumorile limfomului folicular și celulele cu defecte citogenetice ale cromozomului 5. Lenalidomida sporește imunitatea celulară mediată de celulele T și celulele natural killer (NK), crescând numărul de celule T NK.