化疗通过多种机制杀死癌细胞，例如破坏细胞的遗传物质或干扰细胞的生长和分裂。根据这些不同的作用方式，化疗药物有几大类。这些包括烷化剂、植物生物碱（包括拓扑异构酶抑制剂和有丝分裂抑制剂）、抗代谢物、抗肿瘤抗生素、皮质类固醇和其他多种药物。

烷化剂是最常见的化疗药物类型。它们通过破坏癌细胞中的 DNA 并阻止其分裂来发挥作用。虽然烷化剂可用于治疗大多数类型的癌症，但它们最适合治疗生长缓慢的癌症，比如乳腺癌、卵巢癌、肺癌、多发性骨髓瘤肉瘤和霍奇金病。高剂量的烷化剂会损害骨髓，导致白血病，一种发生在血细胞的癌症。这些药物的一些常见副作用包括血细胞计数低、贫血（由于红细胞水平低）、脱发、肠道损伤、月经停止和精子生成受损。烷化剂类中常用的药物包括苯丁酸氮芥、环磷酰胺、塞替派和白消安。

植物生物碱源自具有抗肿瘤特性的植物。拓扑异构酶抑制剂可阻断称为拓扑异构酶的蛋白质，从而阻止癌细胞分裂。拓扑异构酶抑制剂通常用于治疗卵巢癌、肺癌、胰腺癌、胃肠癌和白血病。该类又可进一步分为拓扑异构酶I和拓扑异构酶II抑制剂。拓扑异构酶 II 抑制剂可能会增加患另一种癌症的风险。拓扑异构酶抑制剂的其他可能的副作用包括血细胞计数低、贫血、感染风险增加（由于白细胞水平低）、瘀伤和出血风险增加（由于血小板水平低）、恶心和腹泻。常用的拓扑异构酶抑制剂药物有伊立替康、托泊替康和替尼泊苷等。

有丝分裂抑制剂通过阻断有丝分裂（细胞分裂）过程来防止癌细胞分裂。 有丝分裂抑制剂通常用于治疗乳腺癌、肺癌、骨髓瘤、淋巴瘤和白血病。高剂量的有丝分裂抑制剂可能会导致神经损伤。其他一些可能的副作用包括呕吐、食欲不振、腹痛、便秘、背痛和虚弱。常用的有丝分裂抑制剂有卡巴他赛、多西他赛和长春瑞滨等。

抗代谢物通过取代通常使用的代谢物来影响癌细胞中 DNA 的合成。然后癌细胞无法产生任何新的 DNA，因此无法继续分裂。抗代谢药通常用于治疗乳腺癌、卵巢癌、胃肠癌和白血病。抗代谢药物的副作用包括感染风险增加、恶心、呕吐、食欲不振、溃疡、疲劳、发烧、脱发、肝损伤、肾衰竭和胰腺炎（胰腺炎症）。抗代谢类药物有阿扎胞苷、氯法拉滨和氟尿苷等。

抗肿瘤抗生素通过解开 DNA 链来防止癌细胞中的 DNA 进行复制。这些药物通常用于治疗卵巢癌、肺癌、前列腺癌和结直肠癌。高剂量的抗肿瘤抗生素会导致心脏损伤，因此这些药物有终生服用时间及总剂量的限制。抗肿瘤抗生素的一些常见副作用包括血细胞计数低、疲劳、食欲不振和口腔溃疡。抗肿瘤抗生素有阿霉素、博莱霉素和米托蒽醌等。

皮质类固醇是模仿体内皮质醇激素的药物。体内皮质醇水平的增加会抑制免疫系统，从而减少炎症。 皮质类固醇可用于治疗癌症或预防化疗的某些副作用，例如胃病或过敏反应。皮质类固醇的一些副作用包括体重增加、食欲增加、情绪变化、高血压、睡眠困难和胃部不适。

一些不属于上述任何类别的其他化疗药物包括羟基脲、米托坦、培门冬酶、雌莫司汀和贝沙罗汀等。