Na segunda etapa da TFD, o agente fotossensibilizante atravessa as células tumorais após a administração tópica ou sistêmica.

Na primeira etapa da TFD, o tumor sensibilizado é exposto à luz de comprimento de onda colimado com o espectro de absorção do agente fotossensibilizante.

A presença de luz ativa o agente fotossensibilizante ligado ao tumor, levando-o do estado de ativação chamado singlet, de meia-vida curta, ao estado de repouso.

As moléculas podem retornar ao estado de ativação, emitindo energia em forma de fluorescência, ou progredir até atingir o estado triplet de meia-vida mais curta.

As moléculas no estado triplet podem sofrer a reação com substratos biológicos para formar radicais livres, ou transferem sua energia diretamente ao oxigênio intracelular, formando o oxigênio singlet.