Leuprolid ist ein synthetisches Analogon des gonadotropinfreisetzenden Hormons (GnRH), das als GnRH-Agonist wirkt, indem es an die GnRH-Rezeptoren in der vorderen Hypophyse bindet, was zu einem anfänglichen Anstieg der Sekretion von luteinisierendem Hormon (LH) und follikelstimulierendem Hormon (FSH) führt. Dieser Anstieg führt schließlich zu einer Herunterregulierung der GnRH-Rezeptoren und einer verringerten Sekretion von Gonadotropinen, wodurch die hypothalamisch-hypophysär-gonadale (HPG) Achse gehemmt wird und die Testosteronproduktion in den Hoden reduziert wird. Die genauen molekularen Mechanismen, die den langfristigen Effekten von Leuprolid auf die Signalwege, die an der Aktivität des Androgenrezeptors und dem Fortschreiten von Prostatakrebs beteiligt sind, zugrunde liegen, sind nicht vollständig verstanden.