Cơ chế hoạt động sinh học của phytoestrogen có thể là sự gắn với các thụ thể estrogen (ER) bởi vì nó có cấu trúc tương tự như estradiol. Ái lực bám vào các ER được quyết định bởi hệ thống vòng trên một mặt phẳng (planar ring system), hai cấu trúc vòng được phân cách bởi 2 nguyên tử carbon, và cách nhau bởi liên kết kỵ nước và liên kết hydrogen. Mặc dù hầu hết các phytoestrogen đều có ái lực gắn ER yếu hơn so với estrogen nội sinh, chúng đóng những vai trò estrogen hoặc kháng- estrogen khác nhau trên sự điều hòa của các cơ quan sinh sản. Phytoestrogen thể hiện ái lực gắn ERα thấp gợi ý hoạt tính estrogen yếu (10-2-10-3) so với estradiol, trong khi chúng thể hiện tác dụng kháng-estrogen do khuynh hướng gắn tương đối với ERβ [56].
Thử nghiệm tái tổ hợp, chủ yếu trên mô hình nấm men và các dòng tế bào ung thư vú, cung cấp bằng chứng cho thấy phytoestrogen không chỉ gắn với các ER mà còn khởi sự sự phiên mã gene. Phytoestrogen được phát hiện là kích thích hoặc ức chế biểu hiện của protein và mRNA ERα và/hoặc ERβ trong mô thần kinh và mô sinh sản ở động vật gặm nhấm. Tác dụng này của từng phytoestrogen khác nhau đều khác nhau đáng kể và còn phụ thuộc vào loài và mô khảo sát [20].
Ngoài ra, phytoestrogen còn được chứng minh là tạo ra nhiều hoạt động sinh học khác nhau mà không thông qua hoạt hóa ER trong nhân. Ở các tế bào cơ trơn động mạch chủ người, phytoestrogen tỏ ra ức chế trên sự tăng sinh do phân bào, sự di trú và tổng hợp chất nền ngoại bào thông qua điều hòa giảm (down-regulating) con đường tín hiệu MAPK (mitogen-activated protein kinases). Quercetin, một flavone, tạo ra tác động kép trên sự điều hòa hoạt động của các protein kinase trong các tế bào u cổ trướng Ehrlich thông qua tăng hoạt động của protein kinase phụ thuộc cAMP và giảm hoạt động protein kinase không phụ thuộc cAMP.
Tác dụng phụ thuộc ER và không phụ thuộc ER của phytoestrogen chỉ ra những cơ chế phức tạp về hoạt động sinh lý và/hoặc dược lý trên hệ thống sinh sản và các bệnh liên quan [56].
Cơ chế hoạt động bên trong tế bào của phytoestrogen có thể bao gồm: (1) tác dụng trên bộ gen thông qua ERα, ERβ và các thụ thể nhân khác (thụ thể progesterone, androgen hoặc aryl hydrocarbon); (2) tác dụng trên các enzyme liên quan đến quá trình tạo steroid (3β- và 17β-hydroxysteroid dehydrogenase, aromatase); (3) tác dụng lên globulin gắn hormone sinh dục (SHBG); (4) tác dụng trên protein tyrosine kinase, quan trọng trong việc truyền tín hiệu; (5) tác dụng lên DNA topoisomerase I và II , quan trọng cho sự sao chép DNA; và (6) hoạt động kháng oxy hóa [20].