尽管动物实验和临床试验都证实骨髓间充质干细胞治疗心肌梗死是安全有效的，但其机制至今仍不是非常清楚。早期的研究中，发现骨髓间充质干细胞（MSC）移植到心肌梗死的动物模型后，在体内能分化为心肌样细胞、内皮细胞、平滑肌细胞等，认为MSC向其他细胞的分化是改善功能的主要机制，但后期的研究发现，心功能的改善不能完全用直接分化的机制来解释。浙江大学医学院附属第二医院王建安教授报告了“骨髓间充质干细胞修复坏死心肌——超越直接分化的机制”。

干细胞除了多项分化潜能外，还可以分泌多种生物活性因子，这些因子可以对周围组织起到保护作用，可以抑制宿主细胞的凋亡，诱导新生血管的形成，对缺血损伤也有保护作用，即干细胞的旁分泌功能。近年来，干细胞的旁分泌功能被越来越多地被认识到，不少实验已经证实了干细胞旁分泌功能是改善心功能的主要机制之一。在缺氧预处理的实验中，缺氧预处理后的骨髓干细胞能分泌更多的生物活性因子，在缺氧预处理后的干细胞移植组，心肌细胞的凋亡比正常培养的细胞移植组明显减少，且新生血管的形成明显比正常培养的细胞移植组多。移植经辐射处理后的无增值能力，仅有旁分泌功能的干细胞，发现细胞移植仍能改善心功能。
干细胞移植还能促进心脏神经纤维的生长。干细胞移植后，通过GAP43染色检测神经纤维的生长，发现在间充质干细胞移植组，神经纤维的密度比心肌梗死组明显要高。

干细胞移植还能改善电活性。在心肌细胞和人骨髓间充质干细胞（hMSC）的共培养实验中发现，共培养7天后，心肌细胞和hMSC之间Cx43 蛋白的表达增加，功能性的缝隙连接以及细胞间的电耦连增加，从而进行性的改善了传导速度。在心肌梗死的大鼠中，发现移植骨髓间充质干细胞后能促进了连接蛋白的表达，增强梗死边缘区域的电活性。

总之，骨髓间质干细胞通过多方面机制修复梗死心肌细胞，包括直接分化作用，旁分泌作用（促进血管新生、抗凋亡、保护心肌缺血损伤），促进神经纤维再生，改善心脏传导等各种可能机制。新的机制的发现和阐明，有利于我们今后在临床上能更好的应用干细胞治疗。