Dym tytoniowy zawiera ponad 4 tysiące rozmaitych substancji chemicznych. Niemal 40 z nich ma stwierdzone działanie kancerogenne, czyli rakotwórcze. Główna część masy dymu tytoniowego (85 do 95%) to tlen, dwutlenek węgla i azot. Poza tym znajdziemy w nim również:
nikotynę – substancję odpowiadającą za uzależnienie od palenia. Już po 7 sekundach od inhalacji dymem dociera do mózgu i wywiera działanie stymulujące. Przyczynia się do wzrostu ciśnienia krwi i przyspieszonego bicia serca oraz skurczu obwodowych naczyń krwionośnych. Zwiększa również częstość i głębokość oddechów. Jej trwałe zażywanie prowadzi do zaburzenia działania receptorów nikotynowych w układzie nerwowym, co prowadzi m.in. do nałogu;
substancje smoliste – grupę cząsteczek znajdujących się w dymie tytoniowym i mających bardzo toksyczny wpływ na komórki. Są to m.in. węglowodory alifatyczne i aromatyczne, związki siarki i azotu, ketony czy różne kwasy i fenole;
tlenek węgla (potocznie zwany czadem) – tlenek węgla łączy się z hemoglobiną znacznie łatwiej i trwalej niż tlen. Powstaje karboksyhemoglobina, co wpływa na upośledzenie transportu tlenu do komórek, a w konsekwencji ich niedotlenienie;
tlenek siarki, amoniak, akroleinę, formaldehyd – składniki dymu, które mają silny efekt drażniący. Wpływają negatywnie głównie na działanie układu oddechowego. Wywołują kaszel, podrażnienie błon śluzowych, zwężenie oskrzeli i zaburzenie ruchu rzęsek nabłonka w drogach oddechowych;
benzen, nikiel, arsen, naftyloaminę, chlorek winylu, toluidynę i inne – całą gamę substancji o działaniu rakotwórczym. Poza substancjami mogącymi bezpośrednio inicjować proces nowotworowy dym tytoniowy zawiera również szereg składników wzmacniających ten proces (naftaleny, katechol itp.).