脫氧核糖核苷酸是透過相應核糖核苷酸還原，以H取代其核糖分子中C2上的羥基而生成，而非從脫氧核糖從頭合成。此還原作用是在二磷酸核苷酸（NDP）水平上進行的。（此處N代表A、G、U、C等鹼基）。

催化脫氧核糖核苷酸生成的酶是核糖核苷酸還原酶（ribonudeotide reductase）。已發現有三種不同的核糖核苷酸還原酶，此反應過程較複雜。核糖核苷酸還原酶催化迴圈反應的最後一步是酶分子中的二硫鍵還原為具還原活性的巰基的酶再生過程。硫氧化還原蛋白（thioredoxin）是此酶的一種生理還原劑，由108個氨基酸組成，分子量約12kD。含有一對鄰近的半胱氨酸殘基。

所含硫基在核糖核苷酸還原酶作用下氧化為二硫鍵，後者再在在硫氧化還原蛋白還原酶（thioredoxinreductase）催化，由NADPH供氫重新還原為還原型的硫氧化還原蛋白。因此，NADPH是NDP還原為dNDP的最終還原劑。核糖核苷酸還原酶是一種變構酶，包括B1、B2兩個亞基，只有B1與B2結合時。才具有酶活性。在DNA合成旺盛、分裂速度快的細胞中，核糖核苷酸還原酶系活性較強。

四種dNTP的合成水平受到反饋調節，同時保持dNTP的適當比例也是細胞正常生長所必需的。實際上，缺少任一種dNTP都是致命的，而一種dNTP過多也可致突變，因為過多的dNTP可錯誤摻入DNA鏈中。核糖核苷酸還原酶的活性對脫氧核糖核苷酸的水平起著決定作用。各種dNTP透過變構效應調節不同脫氧核糖核苷酸生成。因為，某一種特定NDP經還原酶作用生成dNDP時，需要特定NTP的促進，同時受到另一些NTP的抑制（表82）。透過調節使4種dNTP保持適當的比例。