L’esposizione al benzene avviene essenzialmente per inalazione (circa il 99% del benzene assunto), per contatto cutaneo o per ingestione (consumo di cibo o di bevande contaminate).
Gli effetti tossici provocati da questo composto organico hanno caratteristiche diverse e colpiscono organi sostanzialmente differenti sulla base della durata dell’esposizione.

Gli effetti tossici acuti sono in genere dovuti a contatto per inalazione o per via cutanea e si presentano per lo più a causa di fughe o versamenti in ambienti di lavoro. Brevi esposizioni di 5-10 minuti a livelli molto alti di benzene nell’aria (10000-20000 ppm) possono condurre alla morte. Livelli di concentrazione più bassi (700-3000 ppm) possono causare giramenti, sonnolenza, aumento del battito cardiaco, tremori, confusione e perdita di coscienza. Concentrazioni minori ma più prolungate nel tempo possono alterare la memoria e certe capacità psichiche.
Il benzene è anche responsabile di disturbi e di un effetto irritante sulla pelle e sulle mucose (oculare e respiratoria in particolare).
L’ingestione di cibi e bevande che contengono alti livelli di benzene possono causare il vomito, irritazione allo stomaco, giramenti, sonnolenza, convulsioni, aumento del battito cardiaco, coma e morte.

Gli effetti tossici cronici sono invece dovuti a periodi di esposizione molto lunghi e a basse concentrazioni.
Il benzene si distingue, per l’uomo, per la sua grande tossicità per le cellule sanguigne e gli organi che le producono (soprattutto midollo osseo). Gli effetti si manifestano solitamente in funzione delle dosi di benzene alle quali il soggetto è stato esposto, e possono variare dalla semplice anemia alla diminuzione simultanea dei globuli rossi, dei globuli bianchi e delle piastrine (pancitopenia, molto rara nei paesi sviluppati dove i livelli di esposizione sono stati ridotti per la maggiore tutela della salute).
L’affezione che preoccupa di più, sia a livello professionale che ambientale, è la comparsa del cancro del sangue dovuta all’esposizione ripetuta a concentrazioni di benzene di qualche ppm per più decine di anni. Diversi studi hanno messo in evidenza il pericolo di contrarre la leucemia mieloide o altre forme di cancro. L’insorgere di queste malattie si manifesta più frequentemente in seguito ad esposizioni basse e continuate piuttosto che elevate e intermittenti (picchi di inquinamento) e sono solitamente precedute dalle anomalie sanguigne già descritte in precedenza.
L’esposizione al benzene è stata anche collegata al danno ai cromosomi, la parte delle cellule responsabile dello sviluppo delle caratteristiche ereditarie e a danni a livello degli organi riproduttivi.