Таллий - высокотоксичный примесный элемент. Соединения таллия (3+) менее токсичны, чем соединения таллия (+1). Одним из наиболее достоверных механизмов токсичного действия таллия (+1) можно считать нарушение ионного баланса главных катионов организма Na' , К , Са2+. Несмотря на сходство ряда свойств ионов таллия (+1) и калия (+1), между ними имеются важные различия. Особенно существенна более высокая способность таллия (+) по сравнению с ионами щелочных металлов проникать через плазматическую мембрану, как внутрь клеток, так и из клетки. Измерение транспорта ионов через мембрану эритроцитов показывает, что скорость трансмембранного переноса таллия (+1) по крайней мере на 2 порядка (100 раз) выше, чем для ионов лития, натрия, калия, рубидия.

Таллий нарушает функционирование различных ферментных систем, разобщает окислительное фосфорилирование, нарушает синтез белков, ингибирует щелочную фосфатазу и сукцинат дегидрогеназу.

При избыточном поступлении таллия патологические изменения в скелете напоминают рахит, вызываемый такими элементами, как алюминий и бериллий.

Таллий в значительной мере накапливается в волосяных луковицах и волосяных сосочках. В результате нарушения образования кератина в волосяных луковицах происходит выпадение волос. Поэтому таллий нашел применение в медицине как депилирующее средство. Избыток цистеина в пищевом рационе позволяет частично устранить этот вредный эффект таллия.

Считают, что таллий конкурирует с ионом калия в биохимических процессах, протекающих с его участием. Таллий накапливается в митохондриях и оказывает общеклеточное токсическое действие. Это приводит к нарушению деятельности многих органов и систем, клинические проявления этих нарушений зависят от дозы яда, типа экспозиции (острое, хроническое воздействие) и пути поступления таллия.