DMF的毒性作用机制尚未完全明了，目前认为与其体内代谢过程有关。DMF其甲基烃基化，生成N-甲基-甲醇酰胺（HMMF），HMMF部分脱羟甲基分解成甲基甲酰胺 (NMF)和甲醛，NMF还可羟基化，然后再分解成甲酰胺 (F)，还有少部分DMF以原形从尿中排出。实验表明，NMF毒性强于DNF及HMMF。NMF或HMMF生成N-甲基氨基甲酰半胱氨酸(AMCC)过程中的活性中间产物 (可能是异氰酸甲酯)，具有亲电性，可以与蛋白质、DNA、RNA等大分子的亲核中心共价结合，造成机体肝肾器官损伤。