水俣病
原因物質の特定
原因物質は容易に確定されなかった。1958年7月時点では、熊本大学医学部研究班は原因物質としてマンガン、セレン、タリウム等を疑っていた。当時、水銀は疑われておらず、また前処理段階の加熱で蒸発しており検出は不可能であった。しかも有機水銀を正確に分析し物質中の含有量を測定する技術は存在していなかった
。しかし、翌年（1959年）7月、熊本大学水俣病研究班は、原因物質は有機水銀だという発表を行った（1959年10月、水俣病発見者細川一院長は、院内猫実験により、アセトアルデヒド酢酸製造工場排水を投与した猫が水俣病を発症していることを確認し、工場責任者に報告している（この時点ではメチル水銀の抽出までには至っていない）。しかし、工場の責任者は実験結果を公表することを禁じた）。これは、排水口周辺の海底に堆積するヘドロや魚介類から水銀が検出されたことによる。公式見解として、メチル水銀化合物 と断定したのは、1968年9月26日であった。これは、水銀中毒であることは確かだが、当時、数ある有機水銀のうちのメチル水銀が原因であるという確証が得られなかったことに起因する。この物質がメチル水銀であったことはすぐに判明したものの、初期の曖昧な内容が東大医学部などの反論を招いた。そして、それに対する再反論作成の必要に迫られるなどして原因特定の遅れを招くことになった為である。なお、当時の文献や、それを引用した文献では、原因物質は単に有機水銀と表記されていることがある。
原因究明への動き
日本で水俣病とされる病気が集団発生した例は過去に2回ある。そのうちの一つは、新日本窒素肥料（現在のチッソ）水俣工場が、アセトアルデヒドの生産に触媒として使用した無機水銀（硫酸水銀）から発生したとするメチル水銀である。アセトアルデヒドは、アセチレンを希硫酸溶液に吹き込み、触媒下で水と反応させることにより生産される。工場は触媒の反応過程で副生されたアルキル水銀化合物（主として塩化メチル水銀）を排水とし、特に1950年代から60年代にかけて水俣湾（八代海）にほぼ未処理のまま多量に廃棄した。そのため、魚にメチル水銀の生体濃縮が起こり、これを日常的に多量に摂取した沿岸部住民等への被害が発生した。
1960年には新潟県阿賀野川流域でも同様の患者の発生が確認され、新潟水俣病と呼ばれる。これは、阿賀野川上流の昭和電工鹿瀬工場が廃棄したメチル水銀による。
メチル水銀中毒が世界ではじめて報告されたのは1940年のイギリスである。このときはアルキル水銀の農薬工場における、従業員の中毒例であった。ハンターとラッセルによって、運動失調、構音障害、求心性視野狭窄がメチル水銀中毒の3つの主要な臨床症状とされたため、これをハンター・ラッセル症候群と呼ぶ。
1959年7月に有機水銀説が熊本大学や厚生省食品衛生調査会から出されると、チッソは「工場で使用しているのは無機水銀であり有機水銀と工場は無関係」と主張し、さらに化学工業界を巻き込んで有機水銀説に異を唱えた。これは当時、無機水銀から有機水銀の発生機序が理論的に説明されていなかったことによる。病気の発見から約11年が経過した1967年になり、ようやくチッソ工場の反応器の環境を再現することで、無機水銀がメチル水銀に変換されることが実験的に（いまだ“理論的”にではないことに注意）証明された。しかし、排水と水俣病との因果関係が証明されない限り工場に責任はないとする考えかたは、被害の拡散を防ぐための有効な手段をほとんど打てずに経年していく、という重大な問題を抱えることになり、結果として大量の被害者を生みだし、地域社会はもとより補償の増大などで企業側にとっても重篤な損害を生むもとになった。
原因の特定が困難となった要因の1つとして、チッソ水俣工場と同じ製法でアセトアルデヒドを製造していた工場が当時国内に7か所、海外に20か所以上あり、水銀を未処理で排出していた場所も他に存在したにも関わらず、これほどの被害を引き起こしたのは水俣のみであり、かつ終戦後になってから、という事実がある。この事実が化学工業界の有機水銀起源説の反証として利用されて研究が進まず、発生メカニズムの特定をとことんまで遅らせることとなった。
チッソ水俣工場では、第二次世界大戦前からアセトアルデヒドの生産を行っていたにもかかわらず、なぜ1950年過ぎから有機水銀中毒が発生したのかは、長期にわたってその原因が不明とされてきた。現在でも決定的な理論はまだ出現していない。だが、生産量の増大ならびにチッソが1951年に行った生産方法の一部（助触媒）変更による水銀触媒のアルキル生成物の上昇が患者の大量発生になんらかの形で関係したと考えられている。生産工程の変更は、アセトアルデヒド合成反応器内の硫酸水銀触媒の活性維持のために助触媒として使用していた二酸化マンガンを硫化第二鉄に変更（近年の研究で二酸化マンガンが有機水銀の中間体の生成を抑える事が明らかになりつつある）したために、塩化メチル水銀などのアルキル水銀を多く発生させることとなり、それが排水として流されたことが考えられている。また、チッソ水俣工場がアセトアルデヒド生産を開始したのは1932年からで、年間生産量は1954年までは209 - 9,159トンであったが、1950年代中頃から増産が続き、1956年には前年度の約1.5倍の15,919トンとなり、1960年には45,244トンで最高となった。また、当時の生産設備は老朽化が進んでいたが、経費削減で更新を怠ったため、廃液の流出が年々加速度的に増えつつあったことが当時の薬剤購入量から示されている。このように、この時期の生産量の急激な増大や、老朽設備運転による廃液量の増加に代表される利益至上主義による化学プラントプロセス管理の無視、助触媒の変更等が組み合わさった結果、最終的には大量のメチル水銀の生成につながったと考えられている。最近の研究によると、工場から海域へ廃棄されたメチル水銀の量は0.6 - 6トンに達したと推定されている。やはり化学工業界が反証として利用していた事実、すなわち、自然の海域には無機水銀をメチル水銀に変換する天然の細菌が存在するが、それらが生成するメチル水銀はごく微量であると熊本県は主張している（ただし実際には誰も研究しておらず、現在までに水俣湾の有機水銀濃度がこの細菌によって増えたというデータは存在しないだけであるが）。
このように、「水俣病発生当時、工場はメチル水銀を流していなかった」、「自然の海域で無機水銀から生成した有機水銀が水俣病の原因となった」などの主張に明確な根拠はない。そもそもの遠因として挙げられるのは、当時世界中で採用されていたアセチレン法アセトアルデヒド工法である。これはあくまで「経験的」に効率よい水銀の安定回収ができる工法であり、理論的な生成機序の研究はされておらず、したがって有機水銀の中間体が出来ることは誰も気づかなかったのである。
行政訴訟
2014年5月16日、国と熊本県に対し、食品衛生法に基づく被害実態調査と違法性の確認を求める行政訴訟が起こされた。
厚生省（当時）は、「すべての魚介類が汚染されているわけではない」などとして食品衛生法の適用を見送った。一方で、東日本大震災後の福島第一原子力発電所事故による食品への放射性物質の汚染に対しては、これと同様に、すべての食品が汚染されているわけではないにも関わらず、食品衛生法に違反するものとして解釈を示し、都道府県等に対して販売されないよう処置されたいと通達しており、両者の解釈に齟齬が生じている。
第三水俣病
1973年（昭和48年）5月22日、朝日新聞により福岡県大牟田市の「有明海に第3水俣病」と報道され全国に水銀パニックが発生したが、その後の調査により誤報である事が判明した。また、河川の堆積物から多量の水銀が発見された新潟県関川水系でも、約10名の水俣病類似症状の発生が1973年に報告された（関川水俣病）が、1971年（昭和46年）の患者認定基準を適用した結果、否定された。関川水系の水銀は流域の工場に由来するものと、上流部にある黒姫山、妙高山、新潟焼山などの火山由来によるものとの双方が起源となっている。
更に、山口県徳山市（現・周南市）も第三水俣病として問題になったことがあったが、徳山は無機水銀であり水俣病ではないとされた。無機水銀を含むヘドロは徳山港埋立地に今なお存在している。
環境汚染
水俣市内には、多くの廃棄物が埋められていることは、「第4号公害調査報告書（昭和50年度〜昭和51年度前期）水俣市市民部公害課発行」に記されている。この報告書が発行された昭和52年3月は、水俣病訴訟の時期であり、当時の浮池正基水俣市長「人間回復と環境復元対策を慎重に、かつ早期に実現し・・・」と巻頭に記している。なお埋設廃棄物・土壌・地下水汚染等の環境汚染について明記した書籍は他に見当たらず貴重な文献であり、水俣市資料センターで閲覧できる。
工場から排出される廃棄物を埋め立てた八幡プールの一部には、水俣クリーンセンターや水俣エコタウンが立地している。周辺の擁壁や石垣の隙間からは、カーバイト屑を含む高アルカリの地下水が湧き出ていることが現地で確認できる。