Antimikrobisten säilöntäaineiden vaikutusmekanismi perustuu ensisijaisesti mikrobien solurakenteiden ja fysiologisten toimintojen hajoamiseen.
Ensinnäkin ne hajottavat solukalvon: tiettyjen antimikrobisten säilöntäaineiden aktiiviset aineosat reagoivat mikrobisolukalvoissa olevien lipidien ja proteiinien kanssa, mikä muuttaa kalvon läpäisevyyttä. Tämä johtaa solunsisäisen sisällön vuotamiseen, mikä lopulta johtaa mikrobien kuolemaan. Esimerkiksi tietyt kationiset säilöntäaineet voivat adsorboitua bakteerien pinnoille, mikä muuttaa solukalvon sähköpotentiaalia ja aiheuttaa kalvovaurioita.
Toiseksi ne estävät entsyymiaktiivisuutta: entsyymeillä on keskeinen rooli mikrobien aineenvaihdunnassa ja ne osallistuvat monenlaisiin biokemiallisiin reaktioihin. Antimikrobiset säilöntäaineet sitoutuvat entsyymien aktiivisiin kohtiin ja tekevät niistä inaktiivisia; tämä estää aineenvaihduntareittejä ja estää mikrobien kasvua ja lisääntymistä. Esimerkiksi tietyt rikkiä{2}} sisältävät säilöntäaineet voivat reagoida bakteerisolujen sisällä olevien entsyymien kanssa ja deaktivoida ne.
Kolmanneksi ne häiritsevät geneettistä materiaalia: mikro-organismin geneettinen materiaali säätelee sen kasvua, lisääntymistä ja perinnöllisiä ominaisuuksia. Antimikrobisten säilöntäaineiden komponentit voivat olla vuorovaikutuksessa mikro-organismin DNA:n tai RNA:n kanssa häiriten replikaatio- ja transkriptioprosesseja ja siten estävät mikro-organismia lisääntymästä tai selviytymästä normaalisti. Esimerkiksi tietyt säilöntäaineet, jotka sisältävät tiettyjä kemiallisia funktionaalisia ryhmiä, voivat sitoutua DNA:han ja siten estää sen replikaation. Erityyppiset antimikrobiset säilöntäaineet voivat asettaa etusijalle yhden tai useamman näistä vaikutusmekanismeista estääkseen ja eliminoidakseen tehokkaasti laajan kirjon mikro-organismeja.
