Biotransformation は、代謝と呼ばれることもあり、体内の酵素によって化学物質が構造変化することである。 化学物質は、肝臓、腎臓、肺、皮膚、腸、胎盤などいくつかの臓器で生体内変換されるが、中でも肝臓は最も重要な臓器である。 消化管で吸収された化学物質は、肝臓を通過して生体内変換され、その結果、体内の他の部位に分布する前に排泄されなければならない。 この現象は、初回通過効果として知られています。 その結果、経口投与では、静脈内や筋肉内注射などの他の曝露経路に比べて、より少量の化学物質が全身に分布することになる。 化学物質の生体内変換は、主に尿または胆汁への排泄を促進するが、特定の化学物質はより毒性の高い形態に生体内変換されるため、結果として化学物質の生体内変換は必ずしも有益ではない。
外来化学物質（体内にもともと存在しない化学物質）の生体内変換は一般に2相で行われる。 第一段階では、外因性分子は水酸基、カルボキシル基、スルフヒドリル基などの官能基を付加されることによって修飾される。 この修飾により、第2段階として外因性分子と内因性分子（体内にもともと存在する分子）の結合が行われる。 ほとんどの場合、最終生成物は水溶性の化学物質であり、容易に排泄される。 酸化はチトクロームP-450モノオキシゲナーゼ、混合機能型アミンオキシダーゼ、アルコールおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼによって行われる。 チトクロームP-450モノオキシゲナーゼが仲介する反応によって、化学物質の毒性が弱くなったり強くなったりする。 例えば、チトクロームP-450酵素は、ある化学物質のエポキシドを生成することがある。これは非常に反応性が高く、DNAのような重要な細胞分子を攻撃することがある。 残りの第I相酸化酵素は狭い範囲の基質に対して作用する。
化学物質の酸化に加えて、シトクロムP-450モノオキシゲナーゼは還元を触媒することができる。 還元を行うことができるもう一つの酵素群は、アルデヒド/ケトン還元酵素である。 加水分解酵素の3つのグループ（それぞれエポキシドヒドロラーゼ、エステラーゼ、アミダーゼ）は、ヒドロキシル、カルボキシル、またはアミノ官能基を持つ代謝物を作る。
第2相反応では、変化した外来化学物質は内因性分子と結合し、最終生成物（抱合体）を形成するが、これは通常親化学物質よりもはるかに水溶性で排泄されやすいものである。 共役によって排泄が促進される親化合物は、グルクロン酸、グルタチオン、アミノ酸、硫酸の4種類に分けられる。 グルクロン酸が水酸基、カルボキシル基、アミノ基、スルフヒドリル基と共役すると、酸素、窒素、硫黄のグルクロン酸塩が生成されるが、これらはグルクロン酸より水溶性が高く、カルボキシル基を持つため、より排泄されやすくなる。 また、グルタチオンとの共役も排泄を促進する。 グルタチオンとの抱合は、グルタチオン抱合体やメルカプト酸誘導体を生成し、肝臓、腎臓、あるいはその両方で排泄される。
2種類の抱合、アセチル化およびメチル化は、親化学物質の排泄を促進することはない。 アセチル化とメチル化は親化学物質の水溶性を低下させ、親化学物質の官能基をマスクして、これらの官能基が排泄を増加させる共役に参加できないようにする。 アセチル化はアミノ基を持つ化学物質に作用し、その毒性を弱める可能性がある。 アミノ基、ヒドロキシル基、スルフヒドリル基を持つ化学物質は、メチル化することができる。 メチル化は、外因性化学物質の生体内変換経路としては、内因性化学物質ほど重要ではない。