Mosidomin und Nitrate setzen in den Gefäßen NO (Stickstoffmonoxid) frei, das dem physiologisch in gesundem Gewebe freigesetzten "Endothelium Derived Relaxing Factor", kurz EDRF, entspricht. NO aktiviert die Guanylatcyclase, wodurch der intrazelluläre Gehalt an cGMP steigt. Dieses wiederum senkt die zytosolische Calcium-Konzentration und bewirkt so eine Erschlaffung der glatten Muskelzellen. In Gefäßen mit verändertem Endothel, z. B. bei Arteriosklerose, ist die EDRF-Freisetzung gestört.
Durch die Dilatation von Venen und Gefäßen des Lungenkreislaufs wird die Vorlast des Herzens gesenkt (Senkung des enddiastolischen Drucks). Dadurch wird die Durchblutung der Koronargefäße während der Diastole verbessert.
Molsidomin wirkt sowohl an venösen (= Vorlastsenkung) als auch an arteriellen Gefäßen (= Nachlastsenkung). Neben der Verbesserung der Koronardurchblutung kommt es auch zu einer Blutdrucksenkung.
Molsidomin setzt im Körper über drei metabolische Schritte NO frei. Der Mechanismus ist ein anderer als bei Nitraten, es werden keine Reduktasen und Kofaktoren benötigt. Vermutlich wird deswegen bei der Gabe von Molsidomin keine Nitrattoleranz beobachtet. Es wird daher zur Überbrückung der Nitratpause eingesetzt. Die Wirkung setzt erst nach ca. 20 min ein, daher wird Molsidomin nicht zur Behandlung eines akuten Anfalls angewendet.