菸草中含有的有害成分達3000餘種，分為六大類：對呼吸道有刺激作用的醛類、氮化物、烯烴類；刺激交感神經，引起血管內膜損害的尼古丁類；胺類、氰化物和重金屬等毒性物質；有致癌作用的苯丙芘、砷、鎘、甲基肼、氨基酚及其他放射性物質；具有加速癌變的作用的酚類化合物和甲醛等物質降低紅血球輸氧能力的一氧化碳。其中最主要的三種危險化學物質是菸鹼，焦油和一氧化碳。
菸鹼(俗稱「尼古丁」)是一種無色至淡黃色的透明油狀液體，在菸葉中的含量為1～3%。它能迅速溶於水及酒精中，通過口、鼻、支氣管黏膜，很容易被人體吸收，甚至粘在皮膚表面的尼古丁也可「滲」入人體內。每支捲菸中約含1.5—3毫克尼古丁，其中的10%—15%被人體吸收，血漿中尼古丁的高峰濃度可達10~15納克/毫升。尼古丁進入人體後會使全身末梢血管收縮血壓升高、心跳呼吸加快、並促進血小板凝集，它是引發心腦血管病的主要致病毒物。人體能承受的尼古丁約為1000毫克，所以通常人吸菸不會發生急性中毒，但的確有連續吸入數百隻捲菸的吸菸比賽冠軍當場死亡的報導。
焦油是菸草蛋白質燃燒後產生的棕色粘稠的「煙油子」，含有多環芳烴、苯並吡、酚、酯族烴、吲哚等揮發性物質。一支紙菸燃燒時可產生超過0.1微克有明確強致癌作用的苯並吡。
菸草燃燒的煙霧中存在大量的一氧化碳，一氧化碳同血紅蛋白的結合能力比氧大240～300倍，大量吸入人體內便與血紅蛋白結合，嚴重削弱紅細胞的攜氧能力，使血液凝結加快，容易引起心肌梗塞、中風、心肌缺氧等心血管疾病。