Podání pemetrexedu březím myším vedlo ke snížení viability plodů, ke snížení tělesné hmotnosti plodů, neúplné osifikaci některých kosterních struktur a rozštěpu patra. Podání pemetrexedu samcům myší vedlo k reprodukční toxicitě charakterizované snížením fertility a testikulární atrofií. V devítiměsíční studii provedené na bíglech s použitím intravenózní bolusové injekce byl pozorován nález na varlatech (degenerace/nekróza seminiferní výstelky). To naznačuje, že pemetrexed může poškodit mužskou fertilitu. Fertilita žen nebyla studována. Pemetrexed nebyl mutagenní in vitro ani u testu chromozomální aberace na buňkách ovarií čínských křečíků ani u Amesova testu. V mikronukleárním testu in vivo u myši bylo prokázáno, že pemetrexed je klastogenní. Studie hodnotící kancerogenní potenciál pemetrexedu nebyly provedeny.