棉酚能抑制細胞能量代謝，通過乳酸脫氫酶（LDH）同源酶Ⅴ型抑制線粒體氧化鱗酸化和電子傳遞。艾氏腹水瘤細胞系的能量代謝顯示，高濃度的棉酚抑制氧消耗和ATPase的活性，減少糖酵解，誘導NAD+和細胞色素b的氧化狀態，抑制細胞能量代謝，導致細胞死亡。艾氏腹水瘤細胞和肉瘤S-180細胞中加入棉酚，發現ATP/Pi及PCr/ATP均下降，表明棉酚有阻斷細胞能量代謝作用。Hutchinson提出棉酚可引起磷酸單脂、雙脂水平下降及輔酶Ⅰ、Ⅱ上升，抑制細胞能量代謝。
超微結構研究表明，棉酚引起線粒體腫脹，嵴斷裂、固縮、嚴重空泡化及潰破等。線粒體是細胞呼吸、能量供應和氧化、磷酸化的重要細胞器，線粒體損傷導致細胞死亡。
此外還有一些棉酚的抗腫瘤機制，如某些對烷化劑耐藥的腫瘤細胞系，其機制是因為增加了谷胱甘肽S-轉移酶活性，從而加速藥物滅活。抑制谷胱甘肽氧化還原系統的某些酶可影響細胞對烷化劑的敏感性。棉酚對谷胱甘肽轉移酶及其pi同功酶表現強有力的抑制，與烷化劑合用，可增加其抗癌功能。耐藥與非耐藥MCF-7細胞系培養中，棉酚的DNA合成抑制活性相同。