Mechanizmy działania antywitamin są różne. W jednych przypadkach mechanizm działania antywitaminy polega na łączeniu się antywitaminy w miejsce witaminy w koenzymie. W innych istnieje współzawodnictwo chemiczne pomiędzy koenzymem a anty- witaminą o swoiste białko, nadające dopiero koenzymowi swoistą czynność. W tym ostatnim wypadku witamina i antywitamina mają identyczne ugrupowania chwytne w białku, stąd zajęcie miejsca witaminy przez inną substancję uniemożliwia działanie witaminy. W niektórych przypadkach antywitamina może też działać toksycznie. Typowym przykładem jest hydrazyd kwasu izonikotynowego, będący antywitaminą kwasu nikotynowego. Wskutek rozpadu kwasu izonikotynowego powstaje w tkankach toksyczny amoniak.
Wreszcie może najbardziej zaskakującym faktem było stwierdzenie, że niekiedy sama witamina działa jako antywitamina. Najbardziej typową jest hiperwitaminoza D, powodująca odwapnienie kości na skutek nadmiernej resorpcji wapnia. Czasami znów nadmiar jednej witaminy może działać jako antywitamina drugiej. Na przykład podanie nadmiaru witaminy K3 powoduje zahamowanie syntezy kwasu nikotynowego na skutek współzawodnictwa chemicznego o wspólny enzym utleniający witaminą K i kwas 3-oksy-antranilowy, będący produktem pośrednim syntezy kwasu nikotynowego z tryptofanu. Stąd w przypadku podania nadmiaru witaminy K3 występuje pelagra.