Izoenzymy cytochromu P450 najistotniejsze z punktu widzenia farmakologii to 1A2, 3A3, 3A4 oraz 2D6.
Mechanizm działania Cytochrom P450 jest końcowym elementem łańcucha transportu elektronów, z którego przenoszone są one na jeden atom tlenu w cząsteczce O2, redukując go do cząsteczki H2O. Drugi atom jest włączany w substrat. Procesowi nie towarzyszy fosforylacja oksydacyjna.
Po związaniu substratu z grupą hemową, przyjmuje ona elektron z NADPH, czemu towarzyszy redukcja Fe3+ do Fe2+, co umożliwia związanie cząsteczki O2. Następnie następuje przyjęcie drugiego elektronu i przegrupowanie ładunku, wskutek czego żelazo zyskuje stopień utlenienia +3, a tlen -2. Następnie jeden atom z cząsteczki tlenu ulega redukcji do H2O, a drugi atom – rodnik O' – przypuszcza atak na cząsteczkę substratu. Końcowym etapem cyklu przemian jest odłączenie cząsteczki produktu i odtworzenie cząsteczki cytochromu.
Mechanizm redukcji cytochromu P450 związanego z błonami siateczki śródplazmatycznej i z wewnętrzną błoną mitochondrialną jest różny.