吉西他滨作为一种前药在细胞内是脱氧胸苷激酶磷酸化的良好底物，在酶的作用下转化成下列代谢物：吉西他滨一磷酸盐（dFdCMP）、吉西他滨二磷酸盐（dFdCDP）和吉西他滨三磷酸盐（dFdCTP）其中dFdCDP和dFdCTP为活性产物。dFdCDP抑制核糖核苷酸还原酶，从而减少了DNA合成的修复所需的脱氧核苷酸的量（尤其是dCTP），低水平的dCTP逆转了脱氧苷激酶正常的负反馈抑制，导致dFdCTP更多的积聚。同时dFdCDP抑制了dCTP诱导的脱氧胞氨酶对dFdCMP的脱氨作用，且dFdCTP直接抑制脱氧胞苷脱酶，从而使更多的dFdCMP转化成活性代谢物dFdCMP的脱氨作用，且dFdCTP直接抑制脱氧胞苷脱氨酶，从而使更多的dFdCMP转化成活性代谢物dFdCDP，dFd-CTP而dFdCTP则与dCTP竞争结合进入DNA链，插入至DNA链中脱氧胞苷的位点，并允许鸟苷与其配对,吉西他滨分子就被此鸟苷“掩蔽”使其免受核糖核酸外切酶的移除修复，然后DNA链合成停止，进而DNA断裂、细胞死亡。

非小细胞肺癌的罹患率约占全部肺癌的75%～80%，采用本品单一药物或合并其他药物治疗无法手术的非小细胞肺癌时，整体反应率为14%～58%，如果单独使用本品，约18%～26%的患者会呈现客观的疗效反应，反应期为3.3～12.7月,存活期中数为6.2～12.3月;本品并用顺铂的疗效更好,反应率为26%～54%,存活期中数为10.4～15.4月,某些研究治疗1年后仍有35%～61%的患者存活,非小细胞肺癌的主要疾病症状如咳嗽、吐血、肋膜积水，改善率为22%～89%。此外，由第一军医大学南方医院、上海医科大学肿瘤医院、北京协和医院等5家医院组成的临床研究协作组，对本品治疗非小细胞肺癌的疗效及毒性进行验证，共入选69例非小细胞肺癌患者，分为本品单药治疗组（21例）与本品全并顺铂治疗组（48例），研究结果表明：西吉他滨单药治疗组中19例能评价疗效，6例获PR（31.5%）,总缓解率31.5%,中位存活期为4.4月。本组病例不良反应轻微,仅5%患者发生Ⅲ度的白细胞下降及恶性呕吐。对照组中41例可评价疗效，23例获PR（56.1%）,总缓解率56.1%中位存活期8.8月,主要不良反应为骨髓抑制和恶性呕吐,约1/3患者分别Ⅲ～Ⅳ度的恶性呕吐和骨髓抑制。据国外报道，除非小细胞肺癌之外，吉西他滨还对胰腺癌呈现客观的疗效。在一项与胰腺癌相关的研究中，以临床效益反应作为主要的疗效指标。当患者持续4周以上出现1种以上的临床改善（疼痛程度降低一半以上、止痛剂使用减少一半以上，日常生活能力与体重增加）且其他项目都没有再恶化时，即被认为具备临床效益反应。该研究以吉西他滨（G组）或氟尿嘧啶（F组）做为第一线治疗，两组各63例。符合上述标准之临床效益反应者，G组有14例（22%），F组有3例（5%）。中数存活期G组为6个月，F组为4个月。1年以后，G组有18%的患者存活，F组只有2%的患者存活。