一般的に悪性腫瘍の細胞を特異的に標的とする仕組みは見出されていない（フィラデルフィア染色体を標的にするイマチニブのような例外はある。）。そのため、ほとんどの化学療法剤は、がんは、DNAの突然変異による細胞の制御不能の増殖であることに着目し、細胞分裂を阻害することで、がん細胞を含めた短時間で分裂する細胞全体を標的にする。したがって、この種の薬剤はがん細胞以外の正常細胞にも障害を与える細胞毒性がある（）。これとは別に、アポトーシス（「細胞の自殺」）を引き起こす薬剤もある。
短時間に細胞分裂を繰り返す細胞に作用するということは、すなわち、体毛の伸長や小腸の上皮細胞の置き換わりに対しても同様に作用するということである。特定の状況においては、特定の薬剤が他の薬剤よりも副作用が少ないことがあるため、医師は少しでも患者に害の少ない治療計画を建てることができる。
化学療法は細胞分裂に作用するので、急性骨髄性白血病やホジキン病を含むリンパ腫など、がん細胞の大半が細胞分裂（分画）の途上にあるタイプの疾患は、一般的に化学療法に感受性が高い。
また、化学療法剤は幼若な（すなわち未分化の）腫瘍に作用する。なぜならば、分化段階が進むと細胞は増殖が減少する傾向があるからである。固形がんの中には、細胞分裂が亢進しているため、化学療法の感受性が高くなるものがある。一方、固形がんではがんの芯まで化学療法剤が到達しないことが問題となる場合もある。そのような場合は、放射線近接照射療法や外科手術が解決法となる。
化学療法の原理.
化学療法という言葉は、悪性腫瘍の治療のみならず、感染症や自己免疫疾患の治療においても用いられる。根本的な病因は異なるが、薬理学的な見地からは一般的な治療の原則はきわめて類似している。どちらも選択毒性というところにターゲットを置いている。