目前公认的百草枯的毒性作用，主要是与氧化还原循环反应有关。百草枯进入人体以后在四种酶的作用下，在有氧的条件下被氧化，同时它可以转化为其他的活性氧自由基，如过氧化氢和羟基，而产生一系列的病理生理的改变。大量的氧自由基可以引发细胞膜脂质过氧化，使细胞膜受损，通透性增高。

另外，百草枯介导的氧化还原循环反应产生的活性氧，对全身多个脏器都具有毒性作用，对上皮细胞和血管内皮细胞，还有巨噬细胞都会造成明显的损伤。主要是对肝脏和肾脏损害最明显，所以百草枯中毒是不能吸氧的。