Las biomoléculas de fuentes naturales, incluidos los microbios, han sido la base del tratamiento de enfermedades humanas desde la antigüedad. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo investigar la potencial bioactividad de varios aislados de actinobacterias del desierto de Al-Jouf, Arabia Saudita. Se probaron veintiún aislados actinobacterianos por su contenido de antioxidantes (flavonoides, fenoles, tocoferoles y carotenoides) y actividades biológicas, a saber, FRAP, DPPH, ABTS, inhibición de SOS y XO, actividad anti-hemolítica y anti-peroxidación lipídica, así como sus actividades antibacterianas y antiprotozoarias. En consecuencia, se seleccionaron cinco aislados (es decir, Act 2, 12, 15, 19 y 21) y se utilizaron sus extractos etanólicos al 90%. El análisis filogenético de las secuencias de 16S rRNA indicó que los aislados más activos pertenecen al género. El género ha sido documentado como un productor prolífico de metabolitos secundarios biológicamente activos contra diferentes tipos de cáncer. Así, se investigó la actividad anti-cáncer sanguíneo y los posibles mecanismos moleculares por los cuales los extractos de varias especies inhibieron el crecimiento de diferentes células de leucemia, es decir, HL-60, K562 y THP-1. En general, los cinco aislados activos mostraron actividad citotóxica contra las líneas celulares probadas de manera dependiente de la dosis. Entre los aislados potentes, el aislado Act 12 disminuyó significativamente la viabilidad celular y mostró las máximas actividades citotóxicas contra las células HL-60 y K562, mientras que el aislado Act 15 exhibió la máxima actividad citotóxica contra las células THP-1. Además, Act 2 y Act 12 redujeron la actividad de la ciclooxigenasa (COX-2) y la lipoxigenasa (LOX), que están involucradas en la proliferación y diferenciación de células cancerosas y pueden representar un posible mecanismo molecular subyacente a la inhibición del crecimiento de leucemia. Los extractos antioxidantes bioactivos de las especies seleccionadas inhibieron el crecimiento de células de leucemia al reducir la actividad de COX-2 y LOX. En general, nuestro estudio no solo presentó una prometedora fuente alternativa natural para agentes anticancerígenos, sino que también arroja luz sobre el mecanismo subyacente a la actividad anticancerígena de los actinobacterias aislados.