Benzen musi przejść proces bioaktywacji, aby mieć toksyczną aktywność. Metabolity odpowiedzialne za działanie toksyczne i rakotwórcze to wolne rodniki.
Wolne rodniki (zwłaszcza wolne rodniki tlenowe) są niestabilnymi energetycznie i wysoce reaktywnymi cząsteczkami. Benzen ulega reakcji utleniania przez układ mikrosomów wątrobowych, a następnie przez cytochrom P450, z wprowadzeniem dwóch grup hydroksylowych - OH. Hydrochinon pochodzący z utleniania benzenu staje się bardzo ważnym substratem enzymu obecnego w szpiku kostnym. Enzym jest mieloperoksydazą, która katalizuje przemianę tego hydrochinonu w rodnik.
Powstający wolny rodnik pochodzi z pęknięcia wiązania tlen-wodór grupy hydroksylowej. Tlen ma niesparowany elektron uwalniany przez wodór podczas pękania wiązania, dając w ten sposób tlenowi silne właściwości reaktywne. Działanie tego rodnika jest bardzo niebezpieczne, ponieważ blokuje produkcję komórek w szpiku kostnym.
