Hidroksiurea ialah antimetabolit urea (hidroksikarbamat) yang digantikan dengan monohidroksil. Sama seperti ubat antikanser antimetabolit yang lain, ia bertindak dengan mengganggu proses replikasi DNA membahagikan sel-sel kanser dalam badan. Hidroksiurea secara selektif menghalang ribonukleoside difosfat reduktase, enzim yang diperlukan untuk menukar ribonukleosida difosfat kepada deoksiribonukleosida difosfat lalu menghalang sel daripada meninggalkan fasa G1/S dalam kitaran sel. Ejen ini juga mempamerkan aktiviti pemekaan radio dengan mengekalkan sel dalam fasa G1 sensitif sinaran dan mengganggu pembaikan DNA.[20]

Penyelidikan biokimia telah meneroka peranannya sebagai perencat replikasi DNA[21] yang menyebabkan penyusutan deoksiribonukleotida, dan mengakibatkan pemutusan untaian ganda dua DNA berhampiran ruangan replikasi (lihat pembaikan DNA). Pembaikan DNA yang rosak oleh bahan kimia atau radiasi juga dihalang oleh hidroksiurea, menawarkan potensi sinergi antara hidroksiurea dan radiasi atau agen pengalkilan.[22]

Hidroksiurea mempunyai banyak aplikasi farmakologi di bawah sistem klasifikasi Tajuk Subjek Perubatan:[20]

• Agen Antineoplastik - Bahan yang menghalang atau menghalang pembiakan neoplasma.
• Agen Antisel Sabit – Agen yang digunakan untuk mencegah atau membalikkan kejadian patologi yang membawa kepada sabit eritrosit dalam keadaan sel sabit.
• Perencat Sintesis Asid Nukleik – Sebatian yang menghalang penghasilan sel DNA atau RNA.
• Perenat Enzim – Sebatian atau agen yang bergabung dengan enzim sedemikian rupa untuk menghalang gabungan substrat-enzim biasa dan tindak balas pemangkin.
• Perencat Sitokrom P-450 CYP2D6 – Bertindak sebagai perencat kepada salah satu enzim-enzim terpenting yang terlibat dalam metabolisme xenobiotik dalam badan, CYP2D6, ahli sistem oksidase campuran sitokrom P450.