Inhibitor reduktazy kwasu dihydrofoliowego w kwas tetrahydrofoliowy (folinowy), będący postacią aktywną biologicznie, niezbędną do syntezy nukleotydów. Niedobór kwasu tetrahydrofoliowego prowadzi w pierwszej kolejności do niedoboru tyminy i zaburzenia syntezy DNA, w wyniku czego następuje zahamowanie namnażania drobnoustrojów. Oprócz tego trimetoprim wywiera działanie bakteriobójcze o niewyjaśnionym mechanizmie. Oporność bakterii na trimetoprim może mieć charakter transportowy, w wyniku czego lek nie przenika do wnętrza komórki bakteryjnej (oporność gatunkowa u Pseudomonas aeruginosa). Oporność nabyta może być związana ze zmianą powinowactwa enzymu do trimetoprimu i może rozwijać się wskutek mutacji lub być przekazywana przez komórki oporne.Działa na większość szczepów, m.in. Bordetella spp., Citrobacter spp., Enterobacter spp., Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Hafnia spp., Klebsiella pneumoniae, Legionella spp., Pasteurella spp., Providencia spp., Serratia spp., Salmonella spp., Shigella spp., Staphylococcus aureus, S.epidermidis, S.saprophyticus, Streptococcus pneumoniae, S.pyogenes, S.viridans, S.faecalis, Vibrio spp., Yersinia spp..Trimetoprim u człowieka wykazuje działanie zbliżone do tzw. pseudoantagonistów aldosteronu (triamteren, amilorid), w związku z czym może hamować wymianę sód – potas w kanaliku dystalnym nerki i potencjalnie może być przyczyną hiperkaliemii.Powinowactwo trimetoprimu do enzymów bakteryjnych ocenia się jako 50 000-razy większe od powinowactwa do analogicznego enzymu ssaków, dzięki czemu wpływ trimetoprimu na redukcję kwasu dihydrofoliowego u człowieka jest zwykle znikomy Maksymalne stężenie we krwi osiąga po 0,6-4 h od podania; obecność pokarmu zmniejsza wchłanianie z przewodu pokarmowego. W 42-46% wiąże się z białkami osocza. T0,5 wynosi 5-17 h (średnio 10 h), u dzieci od 2. miesiąca do 13 lat - wynosi 3 – 5,5 godziny. Przenika m.in. do śliny, wydzieliny oskrzeli, wydzieliny pochwy, tkanki i wydzieliny gruczołu krokowego, plwociny, szpiku kostnego, płynu mózgowo-rdzeniowego, tkanki nerek i wątroby, a także do mleka matki. Jest metabolizowany w wątrobie i wydalany głównie z moczem (około 80% w postaci niezmienionej).