吉西他濱作為一種前藥在細胞內是脫氧胸苷激酶磷酸化的良好底物，在酶的作用下轉化成下列代謝物：吉西他濱一磷酸鹽（dFdCMP）、吉西他濱二磷酸鹽（dFdCDP）和吉西他濱三磷酸鹽（dFdCTP）其中dFdCDP和dFdCTP為活性產物。dFdCDP抑制核糖核苷酸還原酶，從而減少了DNA合成的修復所需的脫氧核苷酸的量（尤其是dCTP），低水平的dCTP逆轉了脫氧苷激酶正常的負反饋抑制，導致dFdCTP更多的積聚。同時dFdCDP抑制了dCTP誘導的脫氧胞氨酶對dFdCMP的脫氨作用，且dFdCTP直接抑制脫氧胞苷脫酶，從而使更多的dFdCMP轉化成活性代謝物dFdCMP的脫氨作用，且dFdCTP直接抑制脫氧胞苷脫氨酶，從而使更多的dFdCMP轉化成活性代謝物dFdCDP，dFd-CTP而dFdCTP則與dCTP競爭結合進入DNA鏈，插入至DNA鏈中脫氧胞苷的位點，并允許鳥苷與其配對,吉西他濱分子就被此鳥苷“掩蔽”使其免受核糖核酸外切酶的移除修復，然后DNA鏈合成停止，進而DNA斷裂、細胞死亡。

非小細胞肺癌的罹患率約占全部肺癌的75%～80%，采用本品單一藥物或合并其他藥物治療無法手術的非小細胞肺癌時，整體反應率為14%～58%，如果單獨使用本品，約18%～26%的患者會呈現客觀的療效反應，反應期為3.3～12.7月,存活期中數為6.2～12.3月;本品并用順鉑的療效更好,反應率為26%～54%,存活期中數為10.4～15.4月,某些研究治療1年后仍有35%～61%的患者存活,非小細胞肺癌的主要疾病癥狀如咳嗽、吐血、肋膜積水，改善率為22%～89%。此外，由第一軍醫大學南方醫院、上海醫科大學腫瘤醫院、北京協和醫院等5家醫院組成的臨床研究協作組，對本品治療非小細胞肺癌的療效及毒性進行驗證，共入選69例非小細胞肺癌患者，分為本品單藥治療組（21例）與本品全并順鉑治療組（48例），研究結果表明：西吉他濱單藥治療組中19例能評價療效，6例獲PR（31.5%）,總緩解率31.5%,中位存活期為4.4月。本組病例不良反應輕微,僅5%患者發生Ⅲ度的白細胞下降及惡性嘔吐。對照組中41例可評價療效，23例獲PR（56.1%）,總緩解率56.1%中位存活期8.8月,主要不良反應為骨髓抑制和惡性嘔吐,約1/3患者分別Ⅲ～Ⅳ度的惡性嘔吐和骨髓抑制。據國外報道，除非小細胞肺癌之外，吉西他濱還對胰腺癌呈現客觀的療效。在一項與胰腺癌相關的研究中，以臨床效益反應作為主要的療效指標。當患者持續4周以上出現1種以上的臨床改善（疼痛程度降低一半以上、止痛劑使用減少一半以上，日常生活能力與體重增加）且其他項目都沒有再惡化時，即被認為具備臨床效益反應。該研究以吉西他濱（G組）或氟尿嘧啶（F組）做為第一線治療，兩組各63例。符合上述標準之臨床效益反應者，G組有14例（22%），F組有3例（5%）。中數存活期G組為6個月，F組為4個月。1年以后，G組有18%的患者存活，F組只有2%的患者存活。