A hepatotoxicidade deve-se à inibição irreversível da ciclooxigenase-2 (COX-2) no fígado, e a N-acetilcisteína reativa essa enzima através da doação de grupos sulfidrila.

O metabólito tóxico NAPQI é formado exclusivamente nos rins, causando falência renal aguda antes da lesão hepática, e a N-acetilcisteína atua bloqueando os receptores renais de paracetamol.

O Paracetamol em altas doses causa cristalização nos canalículos biliares, e a N-acetilcisteína funciona como um solvente orgânico que dissolve os cristais e desobstrui as vias biliares.

A toxicidade ocorre quando a via principal de metabolização (glicuronidação/sulfatação) satura, desviando o fármaco para o CYP450 (principalmente CYP2E1) que gera o metabólito tóxico NAPQI; a N-acetilcisteína atua repondo os estoques de glutationa para conjugar e neutralizar o NAPQI.