Benzeen moet een bioactivatieproces ondergaan om een toxische activiteit te hebben. De metabolieten die verantwoordelijk zijn voor de toxische en carcinogene werking zijn vrije radicalen.
Vrije radicalen (vooral zuurstofvrije radicalen) zijn energetisch onstabiele en zeer reactieve moleculen. Benzeen ondergaat de oxidatiereactie door het hepatische microsomale systeem en vervolgens door het cytochroom P450, met de introductie van twee hydroxylgroepen - OH. Hydrochinon afkomstig van de oxidatie van benzeen wordt een zeer belangrijk substraat van een enzym dat aanwezig is in het beenmerg. Het enzym is een myeloperoxidase dat de transformatie van dit hydrochinon in een radicaal katalyseert.
Het vrije radicaal dat wordt gevormd is het gevolg van een breuk van de zuurstof-waterstofbinding van de hydroxylgroep. Zuurstof heeft een ongepaard elektron vrijgemaakt door waterstof tijdens het breken van de binding, waardoor de zuurstof sterke reactieve eigenschappen krijgt. De activiteit die deze radicaal heeft, is zeer gevaarlijk omdat het de productie van cellen in het beenmerg blokkeert.
