Il tallio è facilmente assorbito e si distribuisce rapidamente attraverso l'apparato circolatorio (già dopo 1 ora dall'esposizione) nelle cellule e nei tessuti di piante ed animali. Interferisce con il metabolismo cellulare, perché si sostituisce al potassio, un elemento essenziale per molte reazioni necessarie alla vita della cellula. Nel caso dei mammiferi, il tallio si distribuisce principalmente in ossa, reni, fegato e sistema nervoso. Inoltre, il tallio è in grado di attraversare la barriera emato-encefalica, quella placentare e delle gonadi.
Si può ritrovare anche nel latte materno, ma i dati a disposizione sono pochi. Il tempo che occorre per dimezzarne la concentrazione nel sangue (emivita) nell'uomo è compreso tra 10 e 30 giorni. La sua eliminazione avviene principalmente attraverso l'urina e, in misura minore, attraverso il sudore, il latte, i capelli, le unghie e le feci.
Tossicità acuta
L'assunzione accidentale e rapida di dosi alte di tallio provoca effetti tossici in tempi brevi (acuti) che possono portare anche alla morte. I disturbi (sintomi) causati dall'intossicazione acuta sono principalmente:

 gastro-intestinali, forti dolori addominali, nausea, vomito, diarrea, tossicità del fegato (necrosi epatica)
cardiaci, abbassamento della pressione arteriosa (ipotensione) e dei battiti del cuore (bradicardia), seguito da pressione alta (ipertensione) con battiti cardiaci veloci (tachicardia) e da aritmie e infarto
respiratori, bronchite acuta, edema polmonare
renali 
perdita dei capelli, alopecia, atrofia dei follicoli piliferi
cutanei, arrossamenti della pelle (eritemi), acne e desquamazione della cute
neurologici, neuropatie del sistema nervoso centrale e periferico, con formicolii, paralisi ascendente fino all'arresto respiratorio; perdita di conoscenza fino allo stadio di coma

I disturbi (sintomi) possono apparire simultaneamente o in sequenza, a brevi intervalli di tempo. La dose mortale di tallio nell'uomo è pari a circa 0.5-1 grammo (ovvero 8-16 milligrammi per chilo di peso corporeo per un adulto di 60 chili di peso). La morte per avvelenamento acuto causato da una dose letale di tallio si verifica entro 7-10 giorni.
Tossicità cronica
Generalmente, l'esposizione al tallio prolungata nel tempo e a basse concentrazioni (esposizione cronica) si verifica soprattutto in ambiti professionali per inalazione di polveri e fumo.
Studi su lavoratori esposti hanno mostrato che i disturbi (sintomi) causati dall'intossicazione cronica da tallio possono manifestarsi anche dopo lunghi periodi e sono in gran parte simili a quelli acuti; in particolare includono:

polineuropatia, formicolii e dolori muscolari e alle articolazioni, sensazioni di paralisi, debolezza, tremori, mal di testa (cefalea), insonnia, anoressia, depressione, ansia, apatia
perdita di capelli, ciglia e sopracciglia, problemi alle unghie
disturbi visivi, riduzione della vista, paralisi dei muscoli oculari, alterazione della percezione dei colori

In alcuni casi l'inalazione cronica del tallio è stata associata ad una diminuzione degli ormoni tiroidei (T4 e FT4) e a disfunzioni della tiroide.
Non sono mai stati riportati effetti causati nell'uomo dall'esposizione ai livelli di tallio presenti abitualmente nelle matrici ambientali (acqua, aria e suolo), che sono in genere molto bassi.
Ad oggi, non ci sono evidenze di mutazioni geniche e tumori causati dal tallio all'uomo, né di difetti alla nascita (congeniti) presenti in bambini nati da madri che avevano consumato frutta e verdura contaminate con tallio a bassi livelli. Le informazioni a disposizione, però, sono molto scarse.