Thallium er meget giftig. Dødelig dose er 15-20 mg per kilo kroppsvekt, eller ca. 800 mg for et voksent menneske. Enverdig thallium har likhetstrekk med grunnstoffet kalium, og tar kaliums plass i celleprosesser. Thallium kan komme inn i kroppen ved hudkontakt, inhalering eller via fordøyelsessytemet. Thalliumforgiftning fører til en svært smertefull polynevropati (skader nervene i det perifere nervesystemet). Andre symptomer kan være sløvhet, uklar tale, synsforstyrrelser og generell kraftløshet. Avhengig av dosen kan det ta flere dager før symptomene melder seg, men ved inntak av dødelig dose vil svake symptomer komme allerede første dag. Håravfall begynner etter omkring 10 dager.