芥子氣中毒機理雖早有研究，但迄今尚未完全闡明。目前認為，芥子氣在體內主要與核酸、酶、蛋白質等生物大分子結合，特別對DNA的烴化作用是引起機體廣泛損傷的生物學基礎，它與抗癌化療藥物烴化劑(或烷化劑)具有類似的藥理學與毒理學性質。
(一)烴化作用
芥子氣是典型的雙功能烴化劑(bifunctional alkylating agent)，具有廣泛的烴化作用。芥子氣分子中的硫原子具有兩對未共用的電子;氯是電負性較強的原子。由於氯原子的誘導效應，硫原子上的未共用電子對沿著氯誘導效應的方向移動，促進氯原子分離。所以，溶解於水或體液等極性溶液中的芥子氣迅速解離，內部電子重新排列，形成正碳離子或正硫離子。正硫離子又稱鋶離子(sulfonium ion)具有很強的親電性(electrophilicity)極易與生物大分子的親核性原子(nucleophilic atom)S、N、O等起烴化反應，形成以共價鍵結合的不同逆性的烴化產物(圖13-1)。
細胞內許多重要成分含有S、N、O等親核中心(nucleophilic center)，它們對烴化劑具有強度不同的親和力，其順序為S>N>O。生理條件下，芥子氣與體內許多親核性基團如氨基、巰基、羥基、羧基、磷酸基及咪唑基等反應。所以，芥子氣具有廣泛和複雜的生物學作用。
(二)對核酸的作用
DNA對芥子氣極為敏感，是芥子氣攻擊的主要對象，也是芥子氣基因毒性和細胞毒性的物質基礎。DNA中的鹼基極易被芥子氣烴化，此一作用主要發生在N7、O6、N2與N1、N6等位置。在鹼性條件下，胞嘧啶的O2亦可被烴化。其中在N7與O6位置上的烴化最為重要。核酸鏈中的磷酸二酯烴化可形成不穩定的磷酸三酯。
芥子氣為雙功能烴化劑，具有兩個烴化功能基團(或臂)。因此，它與DNA的烴化作用可能有雙烴化(bifunctional alkylation)和單烴化(monofunctional alkylation)兩種方式。雙烴化又有鏈間交聯(interstrand crosslinking)和鏈內交聯(intrastrand crosslinking)之分。前者發生在兩條互補鏈之間，後者則發生於同一鏈內。雙烴化也可發生在DNA與蛋白質之間。至於單烴化則是芥子氣單臂與DNA成分之間的聯結。
N7烴化產物不穩定，通過固有或酶促作用從脫氧核糖—磷酸鍵上脫落，形成DNA。隨之在核酸內切酶的作用下，致使脫氧核糖—磷酸主鍵斷裂，結果在DNA兩條螺旋鏈上出現單鏈或雙鏈斷裂。
DNA烴化損傷的毒理學作用主要有兩方面：細胞毒作用和遺傳信息障礙。
由於DNA烴化反應和鏈斷裂，引起DNA分子扭曲變形與DNA模板損傷。尤其是鏈間交聯的存在，嚴重影響DNA複製時兩條配對鏈的裂開，因而使正常半保留複製過程發生障礙(即DNA失去模板功能)，或使複製後DNA分子結構與生化功能發生改變。結果導致細胞有絲分裂抑制(DNA複製是細胞有絲分裂的前提)和細胞分裂增殖阻抑，嚴重者導致細胞死亡。一般認為，DNA鏈間交聯是細胞毒作用的主要原因，而鏈內交聯和DNA與蛋白質交聯則是細胞毒作用的次要因素。有人認為，DNA鳥嘌呤N7位置烴化是細胞毒作用的始發部位，而O6位置烴化與致突、致癌、致畸等遺傳信息障礙密切相關。
DNA雙烴化(鏈間交聯)主要引起細胞毒作用，導致細胞死亡;單烴化則較少引起細胞死亡，但能導致DNA遺傳信息障礙，如DNA——N7位置單烴化產物脫落後遺留下一個空隙，該空隙在複製和轉錄過程中，可能導致錯誤鹼基的摻入，因而引起突變、癌變和畸變等遺傳信息障礙。
芥子氣對RNA作用與DNA相似，主要也作用於N7位置。RNA烴化影響氨基酸縮合，致使蛋白質合成代謝障礙干擾細胞功能。實驗表明，無論原核或真核細胞本身都具有DNA修復能力，在一定的程度上能切除DNA的損傷部位，恢復DNA正常結構與功能。
(三)對蛋白質的作用
芥子氣除通過對核酸的作用影響蛋白質合成外，還可與蛋白質肽鏈中的親核基團直接發生烴化作用，特別與細胞內結構蛋白的烴化反應具有重要的毒理學意義。芥子氣烴化作用的主要功能基團是：賴氨酸的氨基、穀氨酸的羧基以及谷胱甘肽和半胱氨酸的巰基等。用標記芥子氣(35S)與酵母實驗表明，有50%與35S與谷胱甘肽結合，10%35S結合的細胞膜上，其餘40%與細胞微細胞結構結合。芥子氣還易與血清蛋白及核蛋白作用。烴化後的蛋白質發生變性、補體失活以及免疫功能下降等。
(四)對酶的作用
芥子氣對已糖激酶、膽鹼酯酶、胃蛋白酶及某些脫氫酶與氧化酶等至少30多種酶有抑制作用。已糖磷酸激酶的抑制可影響糖的酵解和轉化，導致糖代謝障礙及組織營養失調。皮膚損傷也可能與此過程有關。芥子氣對乳酸脫氫酶的活性有明顯的抑制作用。氮芥中毒使大鼠小腸隱窩細胞溶酶體葡糖苷酸酶(β-glucuronidase)的活性增高8倍。參與核酸聚合的核苷酸激酶和多核苷酸磷酸化酶受到抑制後，可加重核酸的代謝障礙。現認為，芥子氣對酶的作用直接烴化反應和通過DNA損傷的間接誘導作用。酶對芥子氣的敏感性不高，特異性不強，因而其重要性遠不如DNA。
(五)細胞毒性作用
芥子氣的細胞毒性作用是芥子氣損傷作用的重要特徵之一。不同生長週期的細胞，對芥子氣的敏感性亦不同;S期細胞(DNA合成期)和G2期細胞(合成後期)對芥子氣最敏感，處於分裂期(M期)細胞則相對不敏感。因此，增殖旺盛的淋巴細胞、骨髓造血細胞、腸粘膜上皮細胞、睪丸造精細胞等對芥子氣最為敏感，使其呈現“無生殖能力”狀態。同時也決定了芥子氣中毒的特殊損傷部位。此外，處於不同分化階段血細胞的敏感性也不同。即造血幹細胞最敏感，幼稚細胞其次，成熟細胞則較不敏感。
芥子氣抑制細胞有絲分裂，引起染色體損傷，包括斷裂、缺失、交換和畸變，以及各種細胞的突變、癌變和畸變等。在一定條件下，及時正確的DNA修復可保持染色體結構的完整性。
實驗證明，DNA和蛋白質合成對芥子氣的敏感性不同。DNA合成顯著抑制，細胞分裂延遲，而蛋白質成仍在繼續進行，二者失去平衡，因此細胞增大，最終導致細胞崩解死亡。應用蛋白質合成抑制放線菌酮(cycloheximide)使二者生物合成恢復平衡，可減低或消除芥子氣的細胞毒性作用。
芥子氣皮膚細胞毒性的發生和發展過程包括：芥子氣烴化細胞DNA導致核酸的形成，核酸內切酶將DNA部位切除，於是DNA鏈斷裂，通過酶的激活作用，激活多聚(ADP-核糖)聚合酶【Poly(ADP-ribose)polymerase，PADPRP】，該酶利用NAD+作為基質合成多聚ADP-核糖體，因而大量消耗細胞NAD+，導致NAD+含量降低或缺失、糖酵解抑制並激活單磷酸已糖旁路，導致蛋白相得益彰釋放，最終使細胞發生病理改變。
芥子氣的細胞毒作用，與一般酸鹼腐蝕劑、蛋白凝固劑或燒傷不同，後者能迅速殺死細胞，前者與細胞生化成分作用雖然迅速，但導致細胞損傷和死亡卻有一個過程，這與臨床上有一潛伏期是一致的。因此，在芥子氣損傷早期往往不易確定細胞損傷程度。
(六)對神經系統的作用
大劑量芥子氣中毒的，中樞神經系統高級部位活動的變化出現最早。早期出現興奮和驚厥，尤以下肢出現強烈，有時出現陣發性抽搐，並迅速轉入抑制麻痺。此外，還有明顯的副交感神經系統興奮症狀，如流涎、腸平滑肌痙攣等。病程迅速而劇烈，死亡甚快。動物在麻醉下中毒出現的症狀較未麻醉動物有明顯的減輕。
芥子氣作用於皮膚粘膜感受器，很快引起病理反射，阻斷此反射通路，可阻止病理過程的發展。實驗證明，在染毒皮膚周圍用奴夫卡因封閉，病變程度不僅比對照輕，病程慢，癒合也較快。此外，用芥子氣刺激一側坐骨神經向心端，可引起對側下肢潰瘍，且經外不愈。
