在泌乳素瘤的治疗中，替莫唑胺从未被用作一线治疗，但当肿瘤不能通过常规治疗(多巴胺激动剂、手术、放疗)控制时，它可以主动指示其适应症。在成功应用于晚期黑色素瘤和神经内分泌肿瘤之前，替莫唑胺的疗效首先在胶质母细胞瘤的治疗中得到证实。替莫唑胺是一种具有亲脂性的达卡巴嗪衍生物，它能穿过血脑屏障，并通过在DNA碱基中插入甲基而发挥作用。

这样，替莫唑胺抑制基因转录和细胞复制。O(6)-甲基鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT)，作为一种内源性的DNA修复酶，可以去除这个甲基，从而潜在地抵消替莫唑胺的细胞毒性作用。启动子甲基化导致甲基鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT)基因沉默，MGMT的表达水平与替莫唑胺对胶质母细胞瘤的治疗效果呈负相关。

替莫唑胺治疗的标准方案包括150-200mg/m2体表面积的每日口服剂量，每28天使用5天，具有100%口服生物利用度。2006年首次提出替莫唑胺作为泌乳素分泌型垂体癌的拯救疗法，随后在难治性催乳素肿瘤的治疗中进行了试验。在难治性泌乳素瘤和泌乳素分泌型垂体瘤中，分别有66%和73%的患者在替莫唑胺的作用下实现了肿瘤生长和泌乳素分泌的综合控制。