发育的特点是在大小、生物化学和生理学、形态和功能方面的变化。这些变化受到管理基因转录的因素调节，这些因素在胚胎的基因组中使调节基因活动，而且连续的基因激话作用次第持续贯穿发育。现在，细胞间和细胞内对正常发育所必要的信号传导路径已被阐明，已知它们依赖于转录、翻译，以及翻译后（如，磷酸化作用）的调控。
化学毒物对发育损伤的机制十分复杂，多数还不清楚。Wilsom（1977）提出了畸形发生的9种机制，包括突变、染色体断裂、有丝分裂改变、改变核酸完整性或功能、减少前体或底物的补给、减少能源支持、改变膜特性、渗透压不平衡和酶抑制作用。近年来在分子水平的研究有很大的进展，虽然胚胎有代偿机制弥补外源性化学物的影响，但是，是否产生畸形依赖于在致病过程中的每个步骤在损伤和修复之间的平衡。
1.干扰基因表达 某些基因的表达受到抑制或异常表达可能引起畸形。如有报道在培养的小鼠胚胎中用反义寡核苷酸探针抑制原癌基因Wnt-1或Wnt-3a，都可产生中脑和后脑，或中脑、后脑和脊髓的畸形。剔除Wnt-1基因的突变小鼠也可产生中脑和后脑的畸形。反之，如向小鼠胚胎中加人鸡的β－肌动蛋白启动子时，Hox-1.1基因表达，并产生多种颅脸部和颈椎的畸形。
2.基因突变与染色体畸变 已发现诱变原有潜在致畸性，如电离辐射、烷化剂、亚硝酸盐、多数致癌物都可能致畸。实验证明，妊娠第13天的大鼠胚胎羊膜内注入CP及其两个代谢活化的致畸性产物PM或AC后，CP和AC引起了脑积水、露眼、腭裂、小颌畸形、脐疝、尾部和肢部缺陷；而PM仅仅引起脑积水，尾部和肢部缺陷。3H标记CP的实验显示大约87％的放射性与蛋白质结合，5％与DNA结合，8％与RNA结合。使用碱洗脱，证实CP和PM引起单链DNA断裂，以及DNA-DNA和DNA-蛋白质交联。进一步的实验证实：PM的一个单功能烷化衍生物，有能力产生单链断裂但无DNA交联作用，引起了和PM一样的效应谱；而PM的一个非烷化衍生物（CP类似物）和AC不引起DNA损伤。AC易与蛋白质结合，而PM易与DNA结合。PM和AC对培养中的肢芽有明显的不同效应。这些结果提示PM和AC在胚胎中有不同的靶，PM对CP诱导的DNA损伤有责任，而AC可能通过与蛋白质结合而致畸。
有报道染色体畸变占人类发育缺陷原因的3％左右。这数字可能比实际低得多，因为常染色体数目的过多或缺少常常使胚胎死亡，难以发现或未作检查。而生殖丢失占很大比例。现在，大量的研究已证实，自发流产的胚胎中至少50％存在染色体畸变（主要是不分离）。电离辐射，病毒以及能引起染色体畸变的某些化学毒物都有致畸作用。
3、损伤细胞和分子水平的翻译 细胞增殖对发育显然是必要的。细胞增殖率在个体发生过程中空间和时间都在变化，在胚胎中细胞增殖、分化和凋亡之间有精致的平衡。用CP处理妊娠第10天大鼠，引起胚胎的S-期细胞周期阻断，在细胞迅速增殖区域观察到细胞死亡。细胞周期长度的不同可能部分地影响敏感性。如：胚胎的神经上皮对CP诱导的细胞死亡相当敏感，而心脏有抵抗力。第10天大鼠胚胎神经上皮的细胞周期时间大约为9.5h，而在心脏中的细胞周期大约是13.4h，这是由于心脏细胞比神经上皮有更长的Go／Gl期。对DNA的损伤可在G1-s转换时、S期和G2-M转换时抑制细胞周期的进展。CP诱导DNA损伤可导致细胞周期混乱和特定的细胞群体中的细胞死亡。如果DHA损伤被修复，细胞周期能恢复正常，但如果损伤太广泛，或细胞周期抑制太久，可能引发凋亡。在全胚胎培养中使用活化的CP也观察到相似的胚胎细胞周期阻断和细胞死亡。
4.细胞调亡 细胞凋亡，又叫程序性细胞死亡，指胚胎中在遗传基因的控制之下的特定类型的细胞死亡。凋亡对来自原基的结构的造型是必需的。有不少致畸物，如细胞生长依赖激素、乙醇、抗癌药物都能促进细胞凋亡。
在凋亡中起一定作用的基因在不断增长。p53基因，有肿瘤抑制基因的作用，能促进凋亡或生长停止。在正常的发育期间出现的凋亡不需要p53基因，例如，有p53-缺陷的胚胎能正常发育。然而，p53可能在对DNA损伤的反应中对导致生长停止或凋亡有重要作用。如，与正常纯合子（十／十）的对照相比较，在杂合子p53缺陷（P／十）妊娠小鼠的子代中，苯并[a]芘引起的胎儿吸收和产后死亡的发病率分别增加了3倍和10倍以上。生长因子和一些细胞因子（IL-3，IL-6）能预防p53-依赖的凋亡。
c-myc产物的表达使DNA持续不断地合成，而面临DNA损伤时它可能促成凋亡。Bcl-2有作为凋亡的阻遏物的功能和与类似物Bax结合的功能，Bax可与它自己或与Bcl-2成为二聚物。Bax同型二聚体促成细胞死亡，Bcl-2／Bax异型二聚体抑制细胞死亡。
已证实，致畸因子过高热、环磷酰胺或砷酸盐处理着床后的小鼠胚胎，在一些胚芽组织中与凋亡一起导致DNA断裂、caspase-3的话化和多聚（腺甘酸二磷酸-核糖）聚合酶（PABP）的分裂。这些因子还能引起胚胎线粒体的改变而造成细胞色素C的释放，并造成caspase-3上游的活化因子caspase-9的活化。
5.干扰细胞 细胞交互作用反应停的代谢活化产物引起胚胎细胞的粘连受体（adhesivereceptors）下调，阻碍发育过程中细胞与细胞和细胞与基质之间的相互作用，干扰了细胞之间的通讯从而导致肢芽结构异常。
6.通过胎盘毒性引起发育毒性 已知对卵黄囊或绒（毛）膜尿囊胎盘有毒性的毒物有46个，包括镉（Cd）砷或汞、香烟、乙醇、可卡因、内毒素和水杨酸钠等。如Cd在妊娠中晚期通过引起胎盘毒性（坏死，减少血流）和抑制对营养物质的传送导致发育毒性。
实验发现，在妊娠晚期大鼠体内注入Cd造成胎儿死亡，但几乎没有的进入胎儿体内，而是在10h内伴随子宫胎盘血流减少发生胎儿死亡；如胎儿直接注射Cd，尽管胎儿的Cd负荷比母体给药后高几乎10倍，胎儿死亡仅只有轻微增加。此外，Cd可在胎盘诱导金属结合蛋白（或称金属硫蛋白，MT），而MT对Zn有高亲和力，可在胎盘中结合Zn而干扰Zn转移通过胎盘。Cd的理化性质与必需元素锌（Zn）相似，可竞争性抑制人类通过胎盘微泡吸收Zn跨膜转运，以及竞争性地在胎盘中抑制其他的Zn依赖的过程。联合给予Zn可以改善Cd的发育毒性。
7.干扰母体稳态 二氟苯水杨酸，引起兔的中轴骨骼缺陷。其发育毒性剂量引起严重的母体贫血并损耗红细胞ATP水平。妊娠第5天给单剂量的二氟苯水杨酸引起持续到第15天的母体贫血，而这正是缺氧引起类似的中轴骨伤缺陷的关键日子，胚胎中血药浓度低于母体的血药峰水平的5％。因此，二氟苯水杨酸对兔的致畸性或许是由于母体的贫血造成缺氧的结果。
苯妥英在实验动物中能影响母体的叶酸代谢致畸。孕第10天，易感的A／J小鼠的心率剂量依赖性地被苯妥英降低，实验性给氧可减少小鼠中苯妥英的致畸性；而抗性的C57B1／6J小鼠心率不降低。因而认为，畸形与母体的心率降低和胚胎的缺氧有关。
减少子官的血流被认为是经基脲引起致畸的一种机制，它提高收缩压，改变心率，减少心输出，严重地减少子宫的血流，而且在妊娠兔中增加血管的阻力，给药后胚胎立即显示颅面和心包出血。而通过夹紧妊娠兔子宫血管10min可引起同样的胚胎异常。
MT合成可被包括金属、酒精、胺基甲酸乙酸、内毒素、烷化剂、高或低血糖和电离辐射等许多化学和物理因素诱导，也可被糖皮质激素和某些细胞因子等内源性调节剂诱导。MT合成的诱导可导致孕母肝MT浓度大大高于正常，降低血浆Zn浓度，进而使孕体可利用的Zn减少、Zn缺乏而导致发育毒性。这已为多种不同的化学物包括丙戊酸、6-巯基嘌呤、乌拉坦、乙醇和常春藤皂贰的实验所证实。
孕妇缺乏代谢前体或基质也是致畸机制之一。膳食中某些营养素缺乏，特别是维生素和无机盐类缺乏易导致生长迟缓、致畸或胚胎死亡。我国因孕期母体缺碘或新生儿期缺碘，导致的智力低下儿童近1000万。所以政府推广食用加碘盐。
8.内分泌干扰作用 激素具有对内环境稳定的维护和发育过程的调节作用。内分泌干扰物为干扰激素的制造、释放、传送、代谢、结合、作用或排除的外源性因子。包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂、塑化剂、表面活化剂、有机金属、卤代杂环烃、植物雌激素等。由于激素在许多组织中有指导分化的关键作用，发育中的生物体对有激素或抗激素活性的化学物尤其敏感。内分泌干扰物至少通过四种干扰内分泌系统的作用模式引起发育毒性：①作为类固醇受体的配体起作用；②改变类固醇激素代谢酶；③扰乱下丘脑。垂体激素释放；④通过目前还不清楚的模式作用。
典型的例子是己烯雌酚（DES），在小鼠中导致包括雄性和雌性生殖道和脑畸形的发育毒性。雌性子代出现不育，输卵管、子宫、子宫颈和阴道的结构异常和卵泡的损耗和畸形3雄性子代可表现出尿道下裂，精子形态学和运动性异常，生殖道损害（包括隐睾症和睾丸癌），不育等。在发育期暴露抗雄激素物质主要显示男性异常，包括尿道下裂，保留乳头，睾丸和副性腺重减少，精子产生减少。
