光動力治療對體內腫瘤的殺傷機制較爲複雜，它與光敏劑的種類、生物學特性、組織含氧程度以及光敏劑與腫瘤相結合的狀態等多種因素有關。
(1)光動力治療對腫瘤細胞的影響：光動力治療對腫瘤細胞有直接殺傷作用，但在光動力治療時，有的以直接殺傷細胞爲主，有的可導致癌細胞凋亡。
(2)光動力治療對微血管的影響：光動力治療的光敏反應可造成微血管破壞，激活血小板及炎性細胞，導致炎性因子釋放，引起血管收縮、血細胞滯留凝集。血流停滯造成組織水腫、缺血、缺氧，從而殺傷腫瘤。
(3)光動力治療對間質的影響：間質是腫瘤細胞生長的“瘤牀”，對物質擴散、運輸和新生血管形成具有重要作用，間質中光敏劑含量很高，光動力治療對間質的破壞，對於防止腫瘤的殘留或復發很重要。
(4)光動力治療尚可繼發抗腫瘤免疫反應。
PDT治療後，病竈區的變化隨所處部位的不同而不同，光照後短時間內，病竈區組織外觀無大的改變。在一些組織較疏鬆的部位，如口腔頜面部，由於光動力效應引發血管損傷和栓塞，導致局部迴流受阻和滲出，造成明顯的反應性水腫，但持續時間不會很長。
光照1天后，病變組織開始變性壞死。在粘膜或較表淺的病變，可以觀察到病竈表面覆蓋黃白色的壞死層，將其清除後，病竈基底部呈暗褐色，表明此處血運很差，還將繼續壞死並逐漸遊離脫落。在食管癌或支氣管癌的PDT治療中，壞死脫落的組織碎塊有可能使本已梗阻的支氣管腔或食管腔的梗阻加重甚至完全堵塞，加重患者的呼吸困難和進食困難。所以在光照後的第二、三天應對患者進行一次內鏡下清創，將壞死組織取出，使管道通暢，同時對疑有殘留的區段再進行一次強化光照。病變小而薄的，照光後1～2周內就可完全癒合;病變大而深的，往往需要1～2個月的時間方能逐漸癒合。在PDT光照區內的腫瘤組織，由於光敏劑濃度高、光劑量足，產生很強的細胞毒效應，受到嚴重破壞。但這種細胞毒效應僅僅發生在光照區內，持續時間短，不會向體內其它部位散逸，在實際應用中較安全。
PDT引發的病變組織破壞，作用過程相當緩和，對痛感神經的理化刺激是很輕的，一般只引起輕度的不適，無疼痛感覺。光動力治療使用的激光器，雖然總輸出功率相當高，但經專用光纖傳輸並散射開後，投照到病變組織表面時，光的功率密度已經減弱很多，不會直接灼傷組織，甚至不會引起熱的感覺。
