La nicotina actúa como estimulante y como sedante. Inmediatamente después de la exposición a la nicotina, hay un estímulo inmediato causado en parte por la estimulación de la droga a las glándulas adrenales y la descarga de epinefrina (adrenalina) que resulta. El "rush" o sensación inicial intensa de la adrenalina estimula al cuerpo y causa una descarga súbita de glucosa así como un aumento en la presión arterial, la respiración y el ritmo del corazón. La nicotina también suprime la producción de insulina del páncreas, lo que significa que los fumadores siempre están un poco hiperglucémicos. Además, la nicotina indirectamente causa una descarga de dopamina en las regiones del cerebro que controlan el placer y la motivación. Esta reacción es similar a la que se ve en otras drogas de abuso como la cocaína y heroína y se cree que es la causa principal de las sensaciones de placer que muchos fumadores sienten. En contraste, la nicotina también ejerce un efecto sedante, dependiendo del nivel de excitación del sistema nervioso del fumador y de la dosis de nicotina tomada.

La exposición crónica a la nicotina resulta en la adicción. Las investigaciones están ahora comenzando a documentar todos los cambios neurológicos que acompañan el desarrollo y el mantenimiento de la adicción a la nicotina. Sin embargo, las consecuencias conductuales de estos cambios están bien documentadas. Más del 90% de los fumadores que tratan de dejar el hábito sin tratamiento fracasan, con la mayoría recayendo en una semana.

La exposición repetida a la nicotina resulta en el desarrollo de la tolerancia, la condición que requiere dosis más altas de una droga para producir la misma estimulación inicial. El metabolismo procesa la nicotina bastante rápido, eliminándola del cuerpo en pocas horas.

Por lo tanto, durante la noche los fumadores pierden alguna tolerancia y a menudo informan que los primeros cigarrillos del día generalmente son los más fuertes o los "mejores". Al pasar el día, desarrollan una tolerancia aguda y los cigarrillos adicionales no tienen tanto efecto.

La suspensión del uso de nicotina es seguida por un síndrome de abstinencia que puede durar un mes o más e incluye síntomas que rápidamente conducen a las personas a renovar el uso del tabaco. Los síntomas de abstinencia de la nicotina pueden comenzar a las pocas horas después del último cigarrillo e incluyen la irritabilidad, fuertes antojos por la droga, déficits cognitivos y de atención, perturbaciones en el sueño, y aumento en el apetito. Los síntomas llegan a su punto máximo en los primeros días y se pueden aplacar en unas pocas semanas. Sin embargo, para algunas personas los síntomas les pueden durar por meses o aún más.

Un componente importante pero mal comprendido del síndrome de abstinencia de la nicotina es el "craving", un deseo poderoso por la nicotina que se describe como el mayor obstáculo para lograr éxito en la abstinencia. Los niveles altos de antojo por el tabaco pueden durar 6 meses o más. Mientras que el síndrome de abstinencia está relacionado con los efectos farmacológicos de la nicotina, muchos factores conductuales también pueden afectar la severidad de los síntomas de abstinencia. Para algunas personas, el hecho de sentir, oler o mirar un cigarrillo así como el rito de obtener, manipular, encender y fumar el cigarrillo, están asociados con los efectos placenteros del fumar y pueden hacer que la abstinencia o los antojos empeoren. Mientras que el chicle o los parches de nicotina pueden aliviar los aspectos farmacológicos de la abstinencia, a menudo los antojos perduran.

Las consecuencias médicas de la exposición a la nicotina resultan de los efectos de la nicotina como también de la manera cómo se toma. Los efectos más perjudiciales de la adicción a la nicotina resultan del uso de tabaco, lo que causa la tercera parte de todos los tipos de cáncer. A la cabeza de los tipos de cáncer causados por el tabaco está el cáncer al pulmón, el número uno en causar la muerte tanto en hombres como en mujeres. El uso de cigarrillos ha sido asociado con el 90% de casos de cáncer del pulmón.

Además del cáncer al pulmón, el hábito de fumar también causa enfermedades pulmonares como la bronquitis crónica y el enfisema y se sabe que empeora los síntomas del asma en los adultos y niños. El tabaquismo también está asociado con el cáncer de la boca, de la faringe, de la laringe, del esófago, el estómago, el páncreas, el cérvix, los riñones, y uréter y la vejiga. La totalidad de muertes causadas por el cáncer es dos veces mayor entre los fumadores que entre los que no fuman y las tasas para los que fuman mucho son cuatro veces más altas que las de los que no fuman. El fumar cigarrillos es la mayor causa de cáncer en los Estados Unidos, que se puede prevenir.

Además de su habilidad de causar cáncer, en la década de los cuarenta se informó por primera vez la relación entre el tabaquismo y la enfermedad coronaria. Desde esa fecha ha quedado bien documentado que el hábito de fumar aumenta substancialmente el riesgo de las enfermedades cardiacas, incluyendo la apoplejía, los ataques al corazón, enfermedades vasculares, y aneurismas. Se estima que casi un quinto de las muertes por enfermedades cardíacas se atribuyen al tabaquismo.

Mientras que frecuentemente pensamos en las consecuencias médicas que resultan del uso directo de productos de tabaco, el humo pasivo o secundario también aumenta el riesgo de desarrollar muchas enfermedades. El humo del tabaco ambiental (ETS) es una fuente importante de contaminantes del aire interno y se estima que el humo de segunda mano causa alrededor de 3,000 muertes por cáncer pulmonar al año entre los no fumadores y contribuye a unas 40,000 muertes relacionadas a enfermedades cardiovasculares. La exposición al humo del tabaco en el hogar aumenta la severidad del asma en los niños y es un factor de riesgo para nuevos casos de asma infantil. La exposición al ETS también ha sido vinculada al síndrome de la muerte súbita del lactante. Además, los cigarrillos caídos son la causa principal de las fatalidades en los incendios residenciales, con más de 1,000 de esas muertes cada año.

En dosis más altas, como las encontradas en los rocíos insecticidas, la nicotina puede ser extremadamente tóxica, causando vómito, temblores, convulsiones y muerte. Se han reportado envenenamientos por nicotina a través de la ingestión accidental de productos de insecticidas por adultos y por la ingestión de tabaco por niños y animales. La muerte sobreviene en pocos minutos debido a un fallo respiratorio causado por parálisis.

La investigación de laboratorio indica que fumar cigarrillos causa efectos cardiovasculares tóxicos. Por esta razón, los medicamentos que reemplazan la nicotina, como el chicle y el parche de nicotina, han sido evaluados extensivamente para determinar su toxicidad cardiovascular, especialmente para pacientes con enfermedades cardiacas. Estos ensayos sugieren que el uso de los reemplazos de la nicotina para cesar de fumar no aumenta el riesgo cardiovascular. Estos hallazgos son consistentes con las dosis más lentas y bajas de nicotina que se obtienen de los medicamentos cuando se comparan con las de los productos de tabaco, y con la ausencia del monóxido de carbono y numerosas otras toxinas que se encuentran en el humo del tabaco.