百草枯在细胞内经一系列参与氧化还原反应相关酶系（NADPH-细胞色素P450还原酶、黄嘌呤氧化酶、NADPH-辅酶Q、氧化还原酶以及一氧化氮合酶）的作用后产生自由基代谢物，从而生成活性氧和活性氮簇，诱发氧化应激反应。具体过程为：百草枯聚集在肺组织后，先被NADPH还原为PQ ⁺，再与氧分子反应形成超氧阴离子，接着在超氧化物歧化酶（SOD）的作用下形成过氧化氢（H ₂O ₂），H ₂O ₂经过Fenton反应或Haber-Weiss反应形成毒性更高的羟自由基。羟自由基能引起膜脂质过氧化等一系列连锁反应，并生成更多的自由基。百草枯的整个代谢过程消耗大量NADPH，使许多NADPH参与的生化反应无法进行，造成竞争性抑制干扰呼吸链电子传递，影响生物氧化磷酸化，使ATP合成减少甚至停止，引起细胞衰竭。

百草枯代谢产生的大量氧自由基，耗竭了细胞内抗氧化酶系，如SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶等，使膜脂质失去了保护作用，加重了活性氧类物质，如超氧阴离子、H ₂O ₂、OH ⁻等对膜脂质的过氧化损伤，含双键的脂肪酸被氧化时生成的丙二醛使膜成分交联和聚合，引起结构和功能的改变。

百草枯代谢产生的大量自由基及脂质过氧化可造成线粒体的严重损伤。此外，百草枯还可以诱导线粒体内膜出现钙超载，引起膜去极化、解耦联及基质肿胀。线粒体损害是百草枯中毒机制的重要组成部分。

百草枯的毒性作用与NF-κB的激活密切相关。代谢过程中产生的大量氧自由基可以有效激活NF-κB。NF-κB一旦激活，即进入细胞核与启动子结合，启动诱发炎症反应的相关基因；这些编码与炎症反应相关的酶、细胞因子和趋化因子的基因开始转录、表达上调，继而导致血小板聚集、炎性细胞趋化、促进成纤维细胞增殖。

百草枯中毒早期的肺泡炎有大量的中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞浸润，这些免疫细胞被百草枯激活后可合成和分泌大量的细胞因子、炎性递质、趋化因子等多种生物学效应因子，参与细胞增殖、炎性细胞趋化及成纤维细胞分泌活性的调节，在组织炎症及肺纤维化的发生、发展中有重要意义。有研究表明，IL-1β、IL-6、胰岛素样生长因子（IGF-1）和血小板衍生生长因子（PDGF）等细胞因子介导了百草枯中毒后早期的急性肺损伤（ALI），而转化生长因子-β（TGF-β）在早期急性炎症反应及中晚期纤维化过程中都发挥着重要的作用。百草枯还可以导致肺血管内皮细胞损伤，进而使内皮细胞分泌大量内皮素，进一步激活多形核白细胞（PMN），使之释放活性氧（ROS）、磷脂酶A2（PLA2）、血小板活化因子（PAF）、TNF-α、IL-1、IL-8等炎性介质，启动炎症反应及中性粒细胞在肺间质的募集和浸润，增加血管漏出，引起肺损伤。

百草枯产生大量氧自由基，引起核固缩与DNA链断裂。过氧化亚硝基也能与蛋白质、脂质、DNA反应，改变细胞的酶促反应及信号传导通路，导致细胞自稳与凋亡的平衡被打破。新近有研究显示，百草枯诱导的细胞损伤与凋亡信号调节激酶-1（apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1）的激活有密切联系。因此有学者认为百草枯中毒引起细胞死亡的根本原因在于DNA损伤和基因表达异常。