Benzene harus menjalani proses bioaktivasi untuk memiliki aktivitas toksik. Metabolit yang bertanggung jawab atas aksi toksik dan karsinogenik adalah radikal bebas.
Radikal bebas (terutama radikal bebas oksigen) adalah molekul yang sangat tidak stabil dan sangat reaktif. Benzena mengalami reaksi oksidasi oleh sistem mikrosom hati, dan kemudian oleh sitokrom P450, dengan pengenalan dua gugus hidroksil - OH. Hidrokuinon yang berasal dari oksidasi benzena menjadi substrat enzim yang sangat penting yang ada di sumsum tulang. Enzim adalah myeloperoxidase yang mengkatalisis transformasi hidrokuinon ini menjadi radikal.
Radikal bebas yang terbentuk berasal dari pecahnya ikatan oksigen-hidrogen dari gugus hidroksil. Oksigen memiliki elektron tidak berpasangan yang dilepaskan oleh hidrogen selama kerusakan ikatan, sehingga memberikan oksigen karakteristik reaktif yang kuat. Aktivitas radikal ini sangat berbahaya karena menghambat produksi sel di sumsum tulang.
