A Isoniazida pode exercer toxicidade por duas vias: direta (hipersensibilidade – erupção cutânea, febre, hepatite) ou indireta (depleção de piridoxina – vitamina B6).



Esta última pode ocorrer por diversas vias:

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• A isoniazida pode interagir diretamente com a piridoxina-5’-fosfatase e a nicotinamida adenina dinucleótido, levando à diminuição síntese do ácido γ-aminobutírico (GABA), que é o principal neurotransmissor inibitório do Sistema Nervoso Central. 
• Outra via consiste na capacidade de os metabolitos hidrazona da isoniazida inibirem a enzima piridoxina fosfocinase, que é responsável por converter a piridoxina na sua forma ativa, o piridoxal-5-fosfato. Estes metabolitos podem também inibir diretamente a atividade da piridoxal-5-fosfato.
• ​A última via consiste na complexação entre a isoniazida e o piridoxal-5-fosfato, produzindo assim um complexo hidrazona inativo que é excretado via renal.

Uma vez que piridoxina está envolvida na síntese do GABA, a sua depleção leva também à diminuição de GABA, levando a um estado de excitação generalizada ao nível do SNC o que causa desorientação, agitação e convulsões. ​​​​​​​​

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O sistema citocromo P450 contribui para a toxicidade da isoniazida ao converter o seu metabolito acetilhidrazina em intermediários tóxicos que se ligam aos hepatócitos e induzem necrose.