Nitrosoharnstoffe gehören zu den Alkylanzien. Sie enthalten wie auch die Stickstoff-Lost-Derivate Chloräthylreste sowie zusätzlich eine sehr reaktive Nitrosogruppe. Die Substanzen zerfallen spontan und setzen das alkylierende Ethylcarbonium-Ion frei, das durch eine Alkylierung des Guanins und des Cytosins eine Quervernetzung der DNA herbeiführt. Zusätzlich entstehen Isocyanate, die durch Verbinung mit der DNA-Polymerase ebenfalls die DNA-Reparatur hemmen. Nitrosoharnstoff-Derivate wirken phasenunspezifisch, d.h. sie wirken auch auf ruhende Zellen.
Viele Nitrosoharnstoffe sind in der Lage, durch ihre kleine Molekülgröße und ihre Lipophilie die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Somit sind sie geeignet für die Behandlung von ZNS-Metastasen und Gehirntumoren.