O cipionato de testosterona é um éster lipossolúvel quimicamente caracterizado pela esterificação do carbono 17-beta da molécula base do andrógeno com um ácido de cadeia lateral contendo 8 átomos de carbono. Essa alteração química promove mudanças importantes no comportamento farmacológico da substância, sem modificar a estrutura fundamental do hormônio.

Do ponto de vista estrutural, a molécula de testosterona mantém o núcleo fundamental do androstano, composto por três anéis ciclohexano e um ciclopentano, mas a adição do grupo éster altera significativamente suas propriedades físico-químicas iniciais.

Essa modificação estrutural implica diretamente na farmacocinética do fármaco, aumentando sua lipofilicidade e permitindo sua dissolução em veículos oleosos. Tal característica possibilita a formação de um depósito intramuscular de liberação lenta; enquanto a testosterona não modificada apresenta uma meia-vida sérica de apenas cerca de 10 minutos, o cipionato atua como um pró-fármaco que é gradualmente hidrolisado por esterases em testosterona livre e ativa, prolongando consideravelmente sua duração de ação.