A MetHb é caracterizada pela metilação do anel protoporfirínico da molécula de hemoglobina, alterando sua afinidade pelas moléculas de oxigênio e dióxido de carbono.

A alteração da afinidade da hemoglobina pelo oxigênio que ocorre na MetHb é devida à conversão do estado de oxidação do átomo de ferro presente na hemoglobina, de Fe³⁺ (normal) para Fe²⁺ (quando exposta à anilina).

A formação de MetHb após a exposição à anilina aparentemente está relacionada à reatividade dos metabólitos desse composto. O principal metabólito da anilina associado à formação de MetHb é a fenil hidroxilamina, formada por reação de N-hidroxilação catalisada pelo citocromo P450.

A anilina e seus metabólitos oriundos da biotransformação induzida pelo citocromo P450 ligam-se diretamente aos carbonos do anel protoporfirínico da hemoglobina, impedindo que essa heme-proteína consiga transportar o oxigênio para os tecidos.

A formação de MetHb induzida pela anilina impede a hemólise natural a que os eritrócitos estão sujeitos após seu período de vida útil de aproximadamente 120 dias. Esse fenômeno leva a aumento do volume de células vermelhas circulantes precárias, sem função.