Antimikroobsete säilitusainete toimemehhanism põhineb eelkõige mikroobsete rakustruktuuride ja füsioloogiliste funktsioonide häirimisel.
Esiteks rikuvad need rakumembraani: teatud antimikroobsete säilitusainete toimeained reageerivad mikroobide rakumembraanides olevate lipiidide ja valkudega, muutes seeläbi membraani läbilaskvust. See viib rakusisese sisu lekkimiseni, mille tulemuseks on mikroobide surm. Näiteks võivad teatud katioonsed säilitusained adsorbeeruda bakterite pinnale, muutes rakumembraani elektripotentsiaali ja põhjustades membraanikahjustusi.
Teiseks pärsivad nad ensüümide aktiivsust: ensüümid mängivad keskset rolli mikroobide metabolismis, osaledes paljudes biokeemilistes reaktsioonides. Antimikroobsed säilitusained seonduvad ensüümide aktiivsete saitidega, muutes need passiivseks; see blokeerib metaboolseid teid ja pärsib mikroobide kasvu ja paljunemist. Näiteks võivad teatud väävlit{2}}sisaldavad säilitusained reageerida bakterirakkudes olevate ensüümidega, desaktiveerides need.
Kolmandaks häirivad nad geneetilist materjali: mikroorganismi geneetiline materjal reguleerib selle kasvu, paljunemist ja pärilikke tunnuseid. Antimikroobsetes säilitusainetes sisalduvad komponendid võivad interakteeruda mikroorganismi DNA või RNA-ga, häirides replikatsiooni- ja transkriptsiooniprotsesse ning seega takistades mikroorganismil normaalset paljunemist või ellujäämist. Näiteks võivad teatud säilitusained, mis sisaldavad spetsiifilisi keemilisi funktsionaalrühmi, seonduda DNA-ga, blokeerides seeläbi selle replikatsiooni. Erinevat tüüpi antimikroobsed säilitusained võivad eelistada ühte või mitut nendest toimemehhanismidest, et tõhusalt inhibeerida ja kõrvaldada laia spektri mikroorganisme.
