大量体外数据证明，在人体肿瘤细胞模型中，化疗药物可以引起药物特异的、浓度依赖的细胞毒和（或）凋亡作用。肿瘤细胞遗传和表型的异质性以及生长动力学差异决定了强烈化疗策略的成功与否。肿瘤细胞群的异质性是联合不同作用机制的高剂量化疗药物的基础。

预处理中大剂量化疗失败的原因，其一是许多种人类肿瘤中潜伏着一小部分本来就对治疗有内在耐药性或在治疗过程中获得了耐药性的肿瘤细胞，其二是预处理药物剂量不足以对肿瘤细胞产生致命性损伤或者不能在肿瘤的所有部位达到足够的药物浓度。肿瘤细胞对大剂量化疗耐药的机制主要包括：肿瘤细胞减少药物摄取或增强药物外排导致细胞内药物浓度降低；加强了DNA或其他重要靶点的损伤的修复；肿瘤细胞生长关键代谢产物合成旁路的形成；过表达靶向化疗药物的基因产物，或产生一种异常的能够保证肿瘤细胞生长却不受化疗影响的分子靶标；肿瘤干细胞对细胞毒药物先天不敏感；增加药物在细胞内的代谢和解毒，以限制对肿瘤细胞的杀伤；过度表达细胞保护基因产物，改变肿瘤细胞对药物诱导凋亡的敏感性；改变肿瘤的血液供应或组织因子，减弱药的活性。

某些肿瘤细胞的遗传学特征导致其分布于化疗药物难以到达的身体部位，因此提高药物的剂量及渗透，有利于获得有效的治疗浓度。药物在身体各个组织器官分布的不均一性也是促使耐药发生的原因之一，如血脑屏障阻止了药物进入中枢神经系统，细胞与血脑屏障上高水平的药物转运体蛋白的紧密结合，保护了肿瘤细胞，逃逸了细胞毒作用。