Som mange kjemoterapeutiske medikamenter kan dacarbazin ha mange alvorlige bivirkninger, siden det påvirker normal cellevekst og kreftcellevekst. Blant de mest alvorlige bivirkninger er fødselsskader hos barn som er unnfanget eller født under behandling, sterilitet (mulig permanent) eller immunsuppresjon (redusert evne til å bekjempe infeksjoner eller sykdommer). Dacarbazin fremkaller brekninger og oppkast, og de fleste pasienter vil bli premedisinert med kvalmestillende medikamenter som palonosetron eller aprepitant. Andre betydelige bivirkninger er hodepine, tretthet (fatigue) og tidvis diaré.