Hidroksikarbamida mengurangkan pengeluaran deoksiribonukleotida[13] melalui perencatan enzim ribonukleotida reduktase dengan membuang radikal bebas tirosil kerana ia terlibat dalam penurunan nukleosida difosfat (NDP).[12]

Dalam rawatan penyakit sel sabit, hidroksikarbamida meningkatkan kepekatan hemoglobin janin. Mekanisme tindakan yang tepat masih belum jelas, tetapi nampaknya hidroksikarbamida meningkatkan paras nitrik oksida, menyebabkan pengaktifan guanilat siklase terlarut dengan peningkatan yang terhasil dalam GMP siklik, dan pengaktifan ekspresi gen gama-globin, dan sintesis rantai gama berikutnya yang diperlukan bagi hemoglobin janin (yang tidak terpolimer dan mengubah bentuk sel darah merah seperti hemoglobin janin termutasi yang membawa kepada penyakit sel sabit). Sel darah merah dewasa yang mengandungi lebih daripada 1% hemoglobin janin dipanggil sel F. Sel-sel ini adalah keturunan daripada kumpulan kecil prekursor eritroid komited yang tidak matang (BFU-e) yang mengekalkan keupayaan untuk menghasilkan hemoglobin janin. Hidroksiurea juga menyekat pengeluaran granulosit dalam sumsum tulang yang mempunyai kesan imunosupresif ringan terutamanya di tapak vaskular di mana sel sabit telah menghalang aliran darah.[12][14]