Azatioprin purin sentezini engeller. DNA ve RNA üretmek için purinlere ihtiyaç vardır. Purin sentezini inhibe ederek, beyaz kan hücrelerinin sentezi için daha az DNA ve RNA üretilir ve böylece immünosüpresyona neden olur.

Azatioprin, dokular içinde 6-MP’ye dönüştürülür ve bunun bir kısmı da bir amino grubunun eklenmesiyle 6-tiyoguanine dönüştürülür. Hem 6-MP hem de 6-tiyoguanin, riboz ile konjuge edilir ve daha sonra sırasıyla tiyoinosinik asit ve tiyoguanilik asit nükleotidlerini oluşturmak üzere fosforile edilir .

Bu nükleotidler sırasıyla inosinik asit ve guanilik asit gibi davranır ; ilki purin nükleotid biyosentezinin başlangıç ​​noktasıdır, ikincisi ise DNA ve RNA’nın yapı taşlarından biridir.

Nükleotidler yeni sentezlenen (ancak işlevsiz) DNA’ya dahil olur ve replikasyonu durdurur .

Nükleotidler, DNA ve RNA sentezindeki daha erken adımlardan biri olan purin biyosentezinde yer alan enzimlerden biri olan glutamin -fosforibozil pirofosfat amidotransferazı (GPAT) inhibe etmek için etki eder. Ürün inhibisyonu adı verilen bir negatif geri bildirim biçimiyle GPAT inhibisyonuna ulaşırlar . Aktif olarak çoğalan hücreler (kanser hücreleri ve bağışıklık sisteminin T hücreleri ve B hücreleri gibi ) purin sentezlemede ve yeni DNA yapmada en aktif olduklarından, bu hücreler en güçlü şekilde etkilenirler.

Nükleotidlerin bir kısmı ayrıca trifosfat formlarına fosforile edilir. Bunlar GTP bağlayıcı protein Rac1’e bağlanarak Bcl-xL proteininin sentezini engeller ve böylece aktive olmuş T hücrelerini ve mononükleer hücreleri apoptoza (programlanmış hücre ölümü) gönderir. Mononükleer hücrelerin apoptozunda artış, azatioprin ile tedavi edilen inflamatuar bağırsak hastalığı hastalarında görülür.