Фторурацил является аналогом урацила, компонента рибонуклеиновой кислоты. Считается, что фторурацил работает как антиметаболит. После внутриклеточного превращения в активный дезоксинуклеотид он препятствует синтезу ДНК, блокируя превращение дезоксиуридиловой кислоты в тимидиловую кислоту с помощью клеточного фермента тимидилата синтетазы. Фторурацил может также препятствовать синтезу РНК.