Gli effetti sulla salute causati dal cadmio dipendono principalmente dalla quantità del metallo nell'organismo, dalla durata dell’esposizione e dalla via di esposizione.
Se il cadmio viene inalato, nei polmoni ne viene assorbito circa il 5–50%, quantità che poi entra nel circolo sanguigno.Se viene ingerito la percentuale di cadmio assorbita è, invece, solo dell’1-10%.Se passa attraverso la pelle ne viene assorbito meno dell’1%.
Individui con bassi livelli (carenza) di ferro nel sangue assorbono più cadmio dal tratto gastrointestinale.
Una volta entrato in circolo, il cadmio si distribuisce ampiamente in tutti gli organi e le quantità più alte si ritrovano nel fegato, nei reni e nelle ossa, dove si accumula e rimane per tempi molto lunghi: il tempo necessario per eliminare la metà del contenuto di cadmio presente nel corpo umano (o semivita) varia tra 10 e 30 anni. Il cadmio assorbito, infatti, viene espulso molto lentamente, e in quantità approssimativamente uguali, attraverso urine e feci.
L'intossicazione da cadmio può essere di tipo acuto (dovuta a esposizione singola a dosi elevate) o cronico (dovuta a esposizioni ripetute a basse dosi).
Intossicazione acuta
Riguarda principalmente i lavoratori, esposti per breve periodo a inalazione di fumi contenenti alte concentrazioni di cadmio, che sviluppano febbre e una polmonite chimica che si manifesta dopo poche ore dall'esposizione, provoca danni al polmone e nel 20% dei casi, dopo qualche giorno, porta alla morte del soggetto intossicato. Questo tipo di intossicazione, però, è divenuta molto rara in seguito alle leggi per la protezione della salute dei lavoratori e ai controlli più accurati negli ambienti di lavoro.
Ingestione di cibo o acqua contaminati con elevate quantità di cadmio
Se si ingerisce cibo o acqua contaminati con alte quantità di cadmio, i disturbi (sintomi) che compaiono sono costituiti da:

irritazione dello stomaco 
vomito
diarrea

Altri disturbi causati da esposizioni brevi ma a dosi alte includono:

crampi muscolari 
danni al fegato
insufficienza renale

Aria contaminata
I livelli di cadmio generalmente presenti nell'aria non sono abbastanza alti da causare danni acuti o (almeno per brevi esposizioni) ai polmoni.
Esposizione cronica
Respirare bassi livelli di cadmio per molti anni, come nel caso dei fumatori, o consumare cibi e acqua contaminata ai livelli normalmente presenti nell'ambiente (esposizione cronica) può provocare un accumulo di cadmio nell'organismo e portare a:

malattie renali (nefrotossicità)
pressione arteriosa alta (ipertensione)
malattie cardiovascolari
osteoporosi
tumori al polmone

Effetti sui reni
Nel sangue il cadmio si trova legato ad alcune proteine dette metallotioneine, e in questa forma arriva ai reni per essere eliminato ma, una volta filtrato, viene in parte riassorbito dalle cellule renali che degradano le metallotioneine, rilasciando cadmio libero in attesa che nuove proteine siano formate e lo leghino di nuovo. Quando la quantità di cadmio libero è troppo elevata, le cellule renali vengono danneggiate e si verifica una disfunzione renale.
Effetti sulle ossa
La prolungata esposizione al cadmio può rendere le ossa più fragili con più alti rischi di frattura e alta incidenza di osteoporosi, sia per una demineralizzazione diretta delle ossa (rilascio di calcio dalle ossa), sia come risultato delle disfunzioni renali (maggiore eliminazione di calcio nelle urine e mancata attivazione della vitamina D).
Gli effetti sulle ossa in una popolazione femminile giapponese in età avanzata (già in menopausa) esposta a livelli molto elevati di cadmio nel riso e nell'acqua sono noti come la malattia di Itai-Itai, caratterizzata da fratture multiple e distorsione delle ossa lunghe dello scheletro.
Effetti sui polmoni
Esistono evidenze che l’esposizione prolungata per inalazione a dosi relativamente elevate di cadmio, come nel caso della esposizione professionale, possa causare tumori ai polmoni. Sulla base dei dati disponibili, la IARC (International Agency for Reseach on Cancer) ha classificato il cadmio come “cancerogeno di categoria 1”; l’EPA (Environmental Protection Agency) americana lo considera un probabile cancerogeno (“Gruppo B1”) per l’uomo.
Effetti sui bambini
Gli effetti sulla salute dei bambini derivanti dall'esposizione a livelli tossici di cadmio sembrerebbero essere molto simili a quelli osservati negli adulti, con danni prevalenti ai reni e ai polmoni. Tuttavia, studi su animali hanno evidenziato che i giovani sono più sensibili degli adulti a una perdita di tessuto osseo. Il cadmio si trova anche nel latte materno e una piccola quantità entra nel corpo del bambino attraverso l'allattamento. Tuttavia, ad oggi non sono disponibili sufficienti evidenze scientifiche su eventuali effetti del cadmio sulla salute dei bambini alla nascita e sul loro sviluppo o comportamento.