Forskare, som har gjort en fyraårig genomgång av litteraturen, säger att bevisen för skador nu är "avslutande".
Forskarna säger att hotet mot naturen är detsamma som det som en gång utgjordes av den beryktade kemikalien DDT.
Tillverkarna säger att bekämpningsmedel inte skadar bin eller andra arter.
Neonicotinoider infördes i början av 1990-talet som en ersättning för äldre, mer skadliga kemikalier.
De är en systemisk insekticid, vilket innebär att de absorberas i varje cell i en växt, vilket gör alla delar giftiga för skadedjur.
Men en del forskare har varit oroade över deras inverkan, nästan sedan de introducerades.
Mycket av oron har omringat deras effekter på bin.
Det har skett en väldokumenterad global nedgång i dessa kritiska pollinatörer.
Många forskare anser att exponering för neonikotinoider har varit en viktig destabiliserande faktor för arten.
Under 2011 inrättade miljöaktivisterna, IUCN, en internationell vetenskaplig arbetsgrupp om systemiska bekämpningsmedel för att undersöka effekterna av dessa kemikalier.
Medlemmarna har granskat över 800 peer review-dokument som har publicerats under de senaste 20 åren.
Deras bedömning av de globala effekterna säger att hotet går långt utöver bina.
I sin rapport, som skall publiceras nästa månad, hävdar de att neonikotinoider och en annan kemikalie som kallas fipronil förgiftar jorden, luften och vattnet.
Bekämpningsmedlen samlas i jorden och läcker ut i vatten och utgör ett betydande problem för daggmaskar, sötvattenssniglar, fjärilar och fåglar.
Forskarna säger att de klassiska mätningar som används för att bedöma toxiciteten hos ett bekämpningsmedel inte är effektiva för dessa systemiska sorter och döljer deras verkliga inverkan.
De pekar på en av studierna i den granskning som gjordes i Nederländerna.
Man fann att högre halter av neonikotinoider i vatten minskade nivåerna av ryggradslösa vattendjur, som är det främsta bytet för en hel rad arter, inklusive vadande fåglar, öring och lax.
"Det finns så mycket bevis, går långt bortom bin," Prof Dave Goulson från University of Sussex berättade BBC News.
"De ackumuleras i jordar, de brukar dyka upp i vattendrag på nivåer som överstiger den dödliga dosen för saker som lever i vattendrag.
"Det är omöjligt att förneka att dessa saker har stor miljöpåverkan."
Forskarna är mycket oroade över den profylaktiska användningen av neonikotinoider, där fröna är belagda i kemikalierna och växten växer upp med förmågan att förstöra skadedjur som redan är inbyggda.
"Det är lite som att ta antibiotika för att undvika att bli sjuk", säger Prof Goulson, en av ett team av 29 forskare inblandade i forskningen.
– Ju mer de används, desto starkare blir det selektiva tryck du sätter på skadeinsekter för att bli resistenta mot dem. Att använda dem som profylaktiska är absolut vansinne i den bemärkelsen."
Arbetsgruppen hävdar att med neonicotinoider och fipronil som utgör omkring en tredjedel av världsmarknaden för insekticider är jordbrukarna alltför beroende av dem på samma sätt som de en gång blev beroende av kemikalier som DDT.
"Vi har glömt dessa lektioner och vi är tillbaka där vi var på 1960-talet", säger Prof Goulson.
"Vi förlitar oss nästan uteslutande på dessa insekticider, kalenderbesprutning 20 gånger eller mer på ett enda fält, det är ett helt galet sätt."
Medan neonikotinoider inte ackumuleras i människa eller djur vävnad på det sätt som DDT en gång gjorde, de moderna bekämpningsmedel är mer dödliga, cirka 6.000 gånger som giftigt jämfört med den äldre sprayen.
Företrädare för tillverkare säger att det inte finns något nytt i arbetsgruppens undersökning.
"Det finns mycket lite trovärdiga bevis för att dessa saker orsakar ogynnsamma skador eftersom vi skulle ha sett dem över 20 år av användning," säger Dr Julian Little från Bayer, en av tillverkarna av neonikotinoider.
"Om du tittar på trädet humla, det äter samma mat som de andra bin, och utsätts för samma bekämpningsmedel belastning och väderförhållanden och ändå blomstrar, medan vissa andra bin inte.
"Om det var bekämpningsmedel som orsakade massförstörelsen av vår fauna, skulle du säkert se effekter på alla bin?"
European Crop Protection Association sade att arbetsgruppen var selektiv i sina bevis, vilket pekar på nyligen genomförda studier som genomförts av industrin visar att nedgången i bipopulationer har överskattats.
"Vi respekterar de forskare som har producerat denna forskning, men det verkar som om de är en del av en rörelse som sammanför några akademiker och icke-statliga organisationer vars enda syfte är att begränsa eller förbjuda användningen av neonikotinoid teknik oavsett vad bevisen kan visa", sade en talesman.
Europa har redan ett tvåårigt moratorium på plats vilket innebär att neonikotinoider inte kan användas på blommande grödor som raps.
Förra veckan tillkännagav president Obama inrättandet av en pollinator hälsa arbetsgrupp för att titta på effekterna av bekämpningsmedel exponering på bin och andra insekter.
Prof Goulson säger att han inte är för ett förbud.
"Vi har använt dessa saker i 20 år och det finns inte en enda studie som visar att de ökar avkastningen", sade han.
"Jag är inte personligen för ett direkt förbud men jag tycker att vi bör använda dem mycket mer klokt - om de inte gynnar avkastning bör vi sluta använda dem."
Följ Matt på Twitter.
Neonicotinoida bekämpningsmedel orsakar betydande skador på ett brett spektrum av nyttiga arter och är en viktig faktor i nedgången av bin, säger forskare.