Mechanizm działania Trabektedyna wykazuje unikatowy mechanizm działania w porównaniu z innymi lekami cytostatycznymi. Lek wiąże się z małym rowkiem DNA i alkiluje guaninę w pozycji N2. Powstały addukt powoduje rozszerzenie małego rowka, co z kolei sprawia, że helisa DNA zagina się do głównego rowka w kierunku przeciwnym do kierunku wcześniejszej alkilacji. Uwalnia to kaskadę zdarzeń mających na celu naprawę uszkodzonego DNA. Komórka uruchamia mechanizmy naprawcze, opierające się na wycinaniu zasad (ang. base excision repair, BER), pomocne w przypadku oksydacji lub alkilacji pojedynczych zasad nukleotydowych, lub nukleotydów (ang. nucleotide excision repair, NER), usuwające addukty lub fotouszkodzenia wywołane promieniowaniem UV. W tych mechanizmach bierze udział ponad 30 białek, m.in. helikazy, nukleazy, polimerazy oraz ligaza DNA. NER ma dwojakie działanie, w zależności od tego, czy naprawie podlega transkrybowane (TC-NER) czy nie transkrybowane DNA (GG-NER). TC-NER jest całkowicie zależne od transkrypcji, a sygnałem jest zablokowanie polimerazy II RNA na uszkodzonym nukleotydzie. Do naprawy DNA konieczne jest jednak wcześniejsze odłączenie polimerazy. Addukt trabektedyna-DNA wiąże polimerazę II RNA, a następnie blokuje kompleksy enzymatyczne wchodzące w skład TC-NER.