フッ素塗布を行うと、フッ素が歯の表面から取り込まれ、歯の結晶（アパタイト）の一部になります。この結晶は、普通の歯の結晶よりも丈夫になり、虫歯菌の出す酸に対して強くなります。そのため、フッ素塗布により、歯の表面が強くなり、虫歯になるのを防ぐことができるようになります。また、歯のエナメル質のまわりにフッ素があると、再石灰化を促進し、エナメル質の補修がしやすくなります。
最近の研究では、この再石灰化促進力が虫歯予防効果としては大きいと言われています。また自然治癒が可能な初期の虫歯の場合、フッ素を塗ることで治癒を助けることも出来ます。