La sostanza attiva nociva più importante è un alcaloide: la nicotina che può raggiungere il contenuto di 1 mg per sigaretta. E' uno dei pochi alcaloidi naturali ad essere allo stato liquido. Tra gli altri alcaloidi presenti nel tabacco la cotinina che è il principale prodotto di degradazione (metabolita) della nicotina. La nicotina allo stato puro è un liquido oleoso di colore giallognolo, odore sgradevole e sapore acre. E' solubile in alcol, acqua, cloroformio ed etere. Il suo nome chimico è 3-(1-metil-2-pirrolidinil)piridina o 1-metil-2-(3-piridil)pirrolidina. E' fotosensibile e quando viene esposta alla luce cambia colore da giallino a brunastro. Gli effetti della nicotina sono molti e complessi perché questa sostanza ha la capacità di legarsi a specifici recettori posti su cellule di vari organi del corpo umano. Questo legame produce differenti effetti a livello della cellula e dell'organo in funzione della dose: in alcuni casi la nicotina può attivare il recettore, in altri inibirlo. L'azione sul cuore e sul sistema circolatorio è, a basse dosi, di stimolazione della frequenza cardiaca e di aumento della pressione, mentre a dosi elevate può viceversa portare ad un crollo della pressione. Su persone con problemi coronarici può determinare attacchi di angina. A livello del sistema nervoso periferico la nicotina porta all'inizio una stimolazione transitoria della trasmissione degli impulsi e successivamente (a dosi elevate oppure basse ma prolungate) ne determina una riduzione. Le azioni sul sistema nervoso centrale sono piuttosto varie: provoca tremore e, a dosi elevate, anche convulsioni. Il fumo di sigaretta può avere effetti sia stimolanti che sedativi. Interessante l'azione sulle ghiandole surrenali che vengono stimolate e determinano la liberazione di acidi grassi che producono la perdita di appetito: caratteristica del fumatore. Provoca inoltre il rilascio di adrenalina a dosi basse e l'effetto contrario a dosi elevate. La nicotina stimola la peristalsi ma può causare anche nausea, vomito e diarrea, all'inizio aumenta le secrezioni delle ghiandole salivari poi la blocca così come riduce la produzione di urine. A livello gastro-intestinale può determinare l'insorgere di ulcere con più meccanismi: per aumento del succo gastrico, per rallentato svuotamento gastrico, per riduzione delle secrezioni pancreatiche ricche di bicarbonato, per reflusso duodeno-gastrico. A basse dosi aumenta la frequenza respiratoria mentre ad alte la rallenta. Negli uomini riduce il numero di spermatozoi viatali e quindi la fertilità. Sulle donne fumatrici si ha un effetto antiestrogenico che si manifesta con menopausa precoce, osteoporosi ed aumento del rischio cardiovascolare. Nelle fumatrici è controindicato anche l'uso della pillola. La nicotina, inoltre, macchia la pelle delle dita ed i denti.