药物的氧化代谢是主要的生物转化反应，但对羰基、硝基、偶氮、叠氮化合物等结构，还原反应是其重要的代谢反应。药物在体内经过还原反应（reduction）后，在分子中引入羟基、氨基等易结合代谢的基团，便于进一步进行Ⅱ相结合反应排出体外。

1.羰基化合物的还原反应

醛或酮在酶催化下还原为相应的醇，醇可进一步与葡萄糖醛酸成苷，或与硫酸成酯结合，形成水溶性分子，而易于排出体外。如水合氯醛在体内经过还原反应转化为活性代谢产物三氯乙醇，后者通过与葡萄糖醛酸结合排出体外。

羰基还原后有时可产生新的手性中心。如镇痛药美沙酮活性较小的S-（+）异构体还原代谢后，生成（3S，6S）-α-（-）-美沙醇。

2.硝基和偶氮化合物的还原反应

芳香族硝基化合物在代谢过程中可在CYP450酶系的硝基还原酶催化下，还原生成芳香胺。还原是一个多步骤过程，其间经历亚硝基、羟胺等中间步骤。还原得到的羟胺毒性大，可致癌和产生细胞毒性。例如硝基苯长期使用会引起正铁血红蛋白症，就是由还原中得到的苯基羟胺代谢物所致。

抗生素氯霉素中的对硝基苯基经生物转化还原生成对氨基苯化合物。

偶氮化合物在体内的还原与硝基相似，可通过肝微粒体中的NADPH依赖的酶将偶氮键先还原成氢化偶氮键，再断裂成二个氨基。如抗溃疡性结肠炎药物柳氮磺胺吡啶可被代谢还原成伯胺。

3.亚砜类化合物的还原反应

亚砜类药物可能经过还原反应代谢成硫醚。例如非甾体抗炎药舒林酸，属前体药物，体外无效，进入体内后经还原代谢生成硫醚类活性代谢物发挥作用，减少了胃肠道刺激的副作用。舒林酸的另一条代谢途径是氧化生成砜类无活性的代谢物。