Jest to najszerzej stosowana grupa leków alkilujących. Do grupy zalicza się cyklofosfamid, ifosfamid, melfalan i chlorambucyl. Cyklofosfamid znajduje bardzo szerokie zastosowanie jako składnik wielu programów wielolekowych stosowanych w licznych guzach litych, nowotworach układu chłonnego i białaczkach, ponadto jest wykorzystywany jako lek immunosupresyjny. Głównymi działaniami niepożądanymi są: supresja szpiku, nudności i wymioty, zapalenie pęcherza moczowego oraz wypadanie włosów. Ifosfamid wykorzystywany jest w leczeniu nowotworów jądra, raka jajnika, raka piersi, chłoniaków nieziarniczych, mięsaków tkanek miękkich, kostniakomięsaka i innych mięsaków kości, jego profil toksyczności jest podobny do cyklofosfamidu. Melfalan jest podawany w szpiczaku mnogim, a chlorambucyl w przewlekłej białaczce limfocytowej.