Το βενζόλιο πρέπει να υποβληθεί σε διαδικασία βιοενεργοποίησης για να έχει τοξική δράση. Οι μεταβολίτες που ευθύνονται για την τοξική και καρκινογόνο δράση είναι οι ελεύθερες ρίζες.
Οι ελεύθερες ρίζες (ειδικά οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου) είναι ενεργά ασταθείς και εξαιρετικά αντιδρώντα μόρια. Το βενζόλιο υφίσταται την αντίδραση οξείδωσης από το ηπατικό μικροσωμικό σύστημα, και στη συνέχεια από το κυτόχρωμα P450, με την εισαγωγή δύο υδροξυλομάδων - ΟΗ. Η υδροκινόνη που προέρχεται από την οξείδωση του βενζολίου καθίσταται ένα πολύ σημαντικό υπόστρωμα ενός ενζύμου που υπάρχει στον μυελό των οστών. Το ένζυμο είναι μια μυελοϋπεροξειδάση που καταλύει τον μετασχηματισμό αυτής της υδροκινόνης σε μια ρίζα.
Η ελεύθερη ρίζα που σχηματίζεται προέρχεται από ρήξη του δεσμού οξυγόνου-υδρογόνου της υδροξυλομάδας. Το οξυγόνο έχει ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο που απελευθερώνεται από το υδρογόνο κατά τη θραύση του δεσμού, δίνοντας έτσι στα οξέα ισχυρά αντιδραστικά χαρακτηριστικά. Η δραστηριότητα αυτής της ρίζας είναι πολύ επικίνδυνη επειδή εμποδίζει την παραγωγή κυττάρων στον μυελό των οστών.
