脱氧核糖核苷酸是通过相应核糖核苷酸还原，以H取代其核糖分子中C2上的羟基而生成，而非从脱氧核糖从头合成。此还原作用是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上进行的。（此处N代表A、G、U、C等碱基）。
催化脱氧核糖核苷酸生成的酶是核糖核苷酸还原酶（ribonudeotide reductase）。已发现有三种不同的核糖核苷酸还原酶，此反应过程较复杂。核糖核苷酸还原酶催化循环反应的最后一步是酶分子中的二硫键还原为具还原活性的巯基的酶再生过程。硫氧化还原蛋白（thioredoxin）是此酶的一种生理还原剂，由108个氨基酸组成，分子量约12kD.含有一对邻近的半胱氨酸残基。所含硫基在核糖核苷酸还原酶作用下氧化为二硫键，后者再在在硫氧化还原蛋白还原酶（thioredoxin reductase）催化，由NADPH供氢重新还原为还原型的硫氧化还原蛋白。因此，NADPH是NDP还原为dNDP的最终还原剂。
核糖核苷酸还原酶是一种变构酶，包括B1、B2两个亚基，只有B1与B2结合时。才具有酶活性。在DNA合成旺盛、分裂速度快的细胞中，核糖核苷酸还原酶系活性较强。
