2-Nitrotoluol (1) wird im Säugetierorganismus zunächst zu 2-Nitrobenzylalkohol (2) (52%), metabolisiert, der mit Glucuronsäure konjugiert (3) (28%), sowie zu 2-Nitrobenzoesäure (5) (3%) und weiteren Produkten weiter umgesetzt wird. Durch die Darmflora wird unter Reduktion der Nitrogruppe 2-Aminobenzylalkohol (4) produziert, der in der Leber an der Aminogruppe acetyliert (10) oder hydroxyliert (6) werden kann. 2-Aminobenzylalkohol (4) wie auch sein Acetylderivat (10) werden mit Sulfat verestert und nach Reaktion mit Glutathion als Mercaptursäuren (9) und (12) im Urin ausgeschieden.
Das Hydroxylaminderivat (6) kann ebenfalls mit Schwefelsäure verestert werden und vermag biologische Makromoleküle zu alkylieren - ein Mechanismus für die Krebserzeugung.