El mecanismo principal de la bendamustina consiste en interferir con el ADN de las células malignas, impidiendo su correcta replicación y reparación. Este proceso se logra mediante la formación de enlaces cruzados en las hebras de ADN, lo que provoca daños estructurales que la célula no puede corregir.
Como consecuencia, las células cancerosas entran en un proceso de apoptosis o muerte celular programada, evitando que continúen multiplicándose. A diferencia de otros agentes alquilantes, posee una estructura química única que le confiere una mayor eficacia selectiva y una menor resistencia cruzada con otros fármacos de su clase, lo que la hace especialmente útil en pacientes que no han respondido bien a tratamientos previos.