Trójtlenek arsenu oddziałuje również na mitochondria. Jedną z pierwszych zmian w ich strukturze, wywołaną działaniem leku, jest otwarcie megakanałów i wypływ tzw. białek śmierci, przede wszystkim cytochromu C, APAF-1 (czynnik aktywacji proteaz apoptotycznych, ang. apoptotic peptidase activating factor 1), czynnika AIF, białka Smac/DIABLO i endonukleazy z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów do cytozolu. W cytoplazmie powstaje kompleks białek zwany apoptosomem, który uruchamia dalsze procesy prowadzące do apoptozy.
Bez względu na to, czy apoptoza indukowana jest zewnętrznie czy wewnętrznie, zawsze biorą w niej udział kaspazy, których aktywacja nieodwracalnie prowadzi komórkę na drogę programowanej śmierci. Ponadto apoptoza regulowana jest przez białka z rodziny Bcl-2, które działać mogą zarówno pro-, jak i antyapoptotycznie.