Constituant naturel de l'atmosphère, le dioxyde de carbone (CO₂) s'y trouve à une concentration d'environ 0,035 %. Aucun effet nocif n'a été associé à une exposition de courte durée à des concentrations de moins de 2 % (20 000 parties par million ou ppm) de CO₂. À une concentration élevée, le CO₂ peut entraver la fonction respiratoire et causer une excitation suivie d'une dépression du système nerveux central. Il peut aussi déloger l'oxygène de l'air, réduisant ainsi la concentration d'oxygène respirable. Les effets d'une faible teneur en oxygène peuvent ainsi être combinés aux effets toxiques du CO₂.

Des volontaires exposés à des concentrations de 3,3 à 5,4 % de CO₂ pendant 15 minutes inspiraient plus profondément. Exposés à une concentration de 7,5 %, ils se sentaient incapables de respirer (dyspnée), leur rythme cardiaque augmentait, ils avaient des maux de tête et des étourdissements, étaient en sueur, agités et désorientés, et souffraient de distorsion visuelle. Des expositions de 20 minutes à des concentrations de 6,5 ou de 7,5 % causaient un ralentissement des activités intellectuelles. Une exposition d'environ 70 minutes à une concentration de 6,5 % causait, chez les volontaires, de l'irritabilité et de l'inconfort. Une exposition de plusieurs minutes à une concentration de 6 %, ou une exposition de 20 à 30 secondes à une concentration de 30 %, affectaient le coeur, comme en témoignaient la modification des électrocardiogrammes.

Des travailleurs exposés à des concentrations très élevées de CO₂ pendant un instant ont subi des dommages à la rétine, sont devenus sensibles à la lumière (photophobie), et ont présenté des mouvements anormaux des yeux, un rétrécissement du champ visuel et un agrandissement de la tache aveugle. Une exposition à raison de plus de 15 heures par jour durant six jours à une concentration pouvant aller jusqu'à 3,0 % a causé une diminution de la vision nocturne et de la perception des couleurs.

Après une exposition de 1,5 minute à une concentration de 10 %, on observait un clignotement des yeux, de l'excitation et une augmentation de l'activité musculaire et des secousses musculaires. Des expositions à des concentrations de plus de 10 % ont entraîné des troubles respiratoires, une détérioration de l'ouïe, des nausées, des vomissements, une sensation d'étranglement, de la transpiration et de la stupeur après plusieurs minutes, et l'évanouissement dans les 15 minutes suivantes. Une exposition à une concentration de 30 % a rapidement causé une perte de connaissance et des convulsions. Plusieurs décès ont été attribués à une exposition à des concentrations de plus de 20 %. Les effets du CO₂ peuvent devenir plus prononcés à la suite d'un effort physique comme un travail dur. 

À l'état gazeux, le CO₂ n'irrite pas la peau, mais sous forme de liquide, il peut provoquer des engelures. Une engelure légère se manifeste notamment par un engourdissement, un picotement et une démangeaison de la peau dans la zone touchée. Quand l'engelure est grave, la victime éprouve une sensation de brûlure et de la raideur de la région atteinte. La peau peut devenir cireuse ou jaunâtre. Dans les cas graves, on peut constater la présence d'ampoules, de nécrose et de gangrène.

Une exposition à des concentrations très élevées du gaz peut causer une sensation de brûlure. De plus, des effets sur la vision ont été signalés à la suite de l'inhalation de concentrations élevées de CO₂. Pour plus de détails, consulter la section sur les « dangers pour la santé liés à l'inhalation de dioxyde de carbone ». Le contact direct avec le CO₂ liquide peut entraîner une engelure des yeux, ce qui pourrait provoquer des lésions permanentes ou la cécité.

L'ingestion n'est pas une voie d'exposition pertinente dans le cas du CO₂ gazeux ou liquéfié.

Plusieurs études ont consisté à l'observation d'ouvriers exposés à maintes reprises à de fortes concentrations de CO₂.

Une exposition à des concentrations de 1 à 1,5 % pendant 42-44 jours a causé un déséquilibre acido-basique réversible dans le sang et une augmentation du volume d'air inspiré à la minute (volume par minute). Lors d'une autre étude, aucun effet nocif n'a été observé chez des ouvriers, travaillant dans les caves de 19 brasseries, exposés à maintes reprises à des concentrations moyennes de 1,1 % de CO₂ et_, occasionnellement, à des pointes momentanées à 8 %. Des occupants d'un sous-marin, exposés à une concentration de 3 % de CO₂ à raison de 16 heures par jour durant plusieurs semaines, ont manifesté des rougeurs, un affaiblissement de la réponse de l'appareil circulatoire à l'exercice, une chute de la pression sanguine, une diminution de la consommation d'oxygène et une perte de la capacité d'attention. Une adaptation à certains des effets d'une exposition prolongée au CO₂ a été signalée.

Aucune information concernant les humains n'est disponible. Une étude de portée limitée chez les animaux n'a pas pu être évaluée.

Aucune information concernant les humains n'est disponible. Aucune conclusion ne peut être tirée du peu d'information recueillie chez les animaux.

Aucune information concernant les humains n'est disponible. Les études réalisées chez les animaux ont fourni des données, d'une valeur limitée, indiquant la possibilité qu'une exposition à des concentrations très élevées de CO₂ durant la grossesse soit nuisible au développement. Il est impossible d'évaluer pleinement ces études en raison du manque d'information sur les concentrations toxiques pour la mère.

Des études chez les animaux démontrent qu'une combinaison de CO₂ et de monoxyde de carbone fait augmenter le taux de fixation du monoxyde de carbone à l'hémoglobine.

De petites quantités de CO₂ sont produites par le métabolisme cellulaire, et le CO₂ est un constituant normal du corps. De plus, on trouve dans le sang du CO₂ dissous ou sous forme d'acide carbonique et d'ion bicarbonate. La majorité du CO₂ est excrétée de l'organisme dans l'air expiré.