众所周知，葸环类药物可能对真核细胞的各种生物化学和生物学功能产生干扰作用，有关柔红霉素的细胞毒性和/或抗增殖作用的确切机制目前尚未完全清楚。该药物可能通过与DNA形成分子复合物来抑制DNA和DNA-依赖性RNA的合成：更确切的说，是药物分子的平面环插入到核苷酸的碱基对之间，使DNA双螺旋无法解开，阻碍DNA模板进行复制。柔红霉素还能干扰DNA聚合酶的活性，改变基因表达的调控，同时参与氧化还原反应，形成具有高活性或高毒性的自由基。柔红霉素的抗增殖和细胞毒性可能是上述一种或多种机制作用的结果；也可能存在其它作用机制。柔红霉素对处在S期的细胞毒性最大，但是该药物并不具有细胞周期特异性或分裂相特异性。研究发现在小鼠中柔红霉素的LD50为17.3-20.0mg/kg，在大鼠中为13.0-15.0mg/kg；在犬中大约为5.Omg/kg。单剂量绐药后的主要靶器官是血液淋巴系统和胃肠道(特别是在犬中)。在兔、犬和猴中对重复给药的毒性反应进行了研究。在这些动物种属中，药物作用的主要靶器官是血液淋巴系统、胃肠道、肾脏、肝脏以及雄、雌性的生殖器官。对于心脏，亚急性和心脏毒性研究结果表明在检测的所有种属中柔红霉素都具有心脏毒性。在几乎所有的体外和体内试验中都发现柔红霉素具有遗传毒性；该药物对生殖器官的毒性已经被证实，在大鼠和兔中具有胚胎毒性，在大鼠中具有致畸性。目前还没有获得围产期和出生后动物使用柔红霉素的数据；也不清楚该药物是否可以通过母乳排泄。与其它蒽环类化合物和细胞毒性药物—样，柔红霉素在大鼠中的致癌性也得到了证实。在毒性研究中，已经确认药物的静脉周围外渗可以引起组织坏死。
