Les agents alkylants utilisés en chimiothérapie du cancer (par exemple le BCNU) agissent en induisant la formation de liaisons transversales létales en position O6-alkylguanine dans l'ADN. La MGMT transfère les adduits alkyles de la position O6 de la guanine dans l'ADN (avant la formation des liaisons croisées) à un résidu cystéine dans sa propre séquence, rétablissant ainsi l'ADN dans son état intact. Ce transfert inactive l'enzyme MGMT et est irréversible ; par conséquent, le niveau de MGMT dans une cellule est directement proportionnel au niveau d'endommagement de l'ADN qu'elle peut tolérer. Dans les tissus normaux, la MGMT agit comme un suppresseur de mutation et de carcinogenèse. Les tumeurs présentant des niveaux élevés de MGMT sont susceptibles d'être résistantes aux médicaments.