อย่างไรก็ตามมลพิษทางอากาศมีผลกระทบต่อสุขภาพอนามัยได้หลายประการ ระบบทางเดินหายใจเป็นส่วนแรกที่สัมผัสกับมลพิษและรับผล โดยตรง สารมลพิษหลายอย่างทำให้เนื้อเยื่อของอวัยวะเกิดระคายเคือง เนื่องจากขนาดหรือรูปร่างประกอบกับสมบัติทางเคมีซึ่งอาจเสริมพิษภัยให้รุนแรงมากขึ้นฝุ่นละอองขนาดเล็กพอควรจะผ่านขนจมูกและระบบป้องกันของร่างกายเข้าสู่ชั้นในสุด คือ ถุงลมในปอด ส่วนที่มีขนาดใหญ่เกินไปถูกจับและขับออก จากร่างกายตั้งแต่ต้น สมรรถนะของระบบหายใจจึงอาจลดและเสื่อมลงมากน้อยเท่าใดนั้น ขึ้นอยู่กับชนิดของฝุ่น เพราะฝุ่นบางชนิดเป็นพิษมากกว่าชนิดอื่น เช่น ตะกั่ว แอสเบสทอสหรือบางกรณีฝุ่นทำหน้าที่เป็นแกนกลางให้ก๊าซจับแล้วชักนำเอาก๊าซซึ่งปกติจะฟุ้งกระจายไม่มีทิศทางให้เข้าถึงปอด นอกจากนี้ฝุ่นบางชนิด เช่น วาเนเดียม และแมงกานีส ยังสามารถเร่งปฏิกิริยาก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ให้เป็นกรดกำมะถัน ฤทธิ์กรดจึงทำอันตรายระบบหายใจได้มากยิ่งขึ้น
ผลต่อผู้สูดหายใจเอาสารมลพิษเข้าไป จึงมีอย่างสลับซับซ้อน ทั้งยังอาจเกิดขึ้นได้อย่างฉับพลันทันที หรือค่อยสะสมทีละเล็กทีละน้อยแล้วจึงปรากฏอาการในภายหลัง นอกจากนี้คนบางกลุ่มยังรับอันตรายเร็วและมากกว่าคนทั่วไปเป็นพิเศษอีกด้วย ดังเช่นในกรณีวิกฤติการณ์ในกรุงลอนดอนในปี ค.ศ. ๑๙๕๒ และ ๑๙๖๒ (พ.ศ. ๒๔๙๕ และ ๒๕๐๕) นั้น เชื่อกันว่าสม็อกและก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ปกคลุมกรุงลอนดอนอยู่อย่างหนาทึบ เป็นระยะเวลา ๕ วัน เป็นเหตุให้มีผู้คนล้มตายเป็นจำนวน ๔,๐๐๐ คน และ ๓๔๐คนตามลำดับ ส่วนใหญ่เป็นผู้สูงอายุ เด็กและผู้เป็นโรคทางเดินหายใจ ปศุสัตว์ต่างๆ ในบริเวณนั้นก็ได้รับผลเช่นเดียวกัน
สารมลพิษอื่นๆ คือ โอโซน ไนโตรเจน-ไดออกไซด์ และไฮโดรคาร์บอน ต่างมีผลต่อระบบทางเดินหายใจในลักษณะคล้ายคลึงกัน แต่โอโซนเป็นมลพิษที่ไวต่อปฏิกิริยา สามารถทำให้ตาระคายเคืองได้ฉับพลัน ชาวลอสแองเจลีสจึงมีอาการนี้ในวันที่มีระดับของก๊าซโอโซนในบรรยากาศเกินกว่า ๒๐๐ ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรขึ้นไป ครั้นเมื่อระดับก๊าซเพิ่มอีกสี่เท่า ระบบเอนไซม์อาจเกิดความผิดปกติ และผนังเม็ดเลือดแดงเปราะเมื่อเปรียบเทียบผลของโอโซนกับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และไนโตรเจนไดออกไซด์แล้ว โอโซนมีผลต่อคนและพืชมากกว่า พืชพันธุ์ธัญญาหารจึงถูกทำลายและเกิดความเสียหายอย่างมากมาย
ความผิดปกติในร่างกายเมื่อรับสารมลพิษบางอย่างเห็นได้ชัดในระยะเวลาอันสั้น กล่าวคือคนและสัตว์แสดงอาการสนองตอบต่อก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์อย่างฉับพลัน เพราะทำให้ร่างกายขาดอากาศ เหตุนี้เกิดขึ้นได้หลายทางด้วยกันประการแรกก๊าซนี้จับตัวกับเม็ดเลือดแดงได้ดีกว่าออกซิเจน ดังนั้นนอกจากออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกายได้น้อยลงแล้ว เมื่อเม็ดเลือดแดงซึ่งมีออกซิเจนไปถึงที่ กลับไม่แยกตัวออกจากกันได้ดีเหมือนเช่นเคย การจับตัวแน่นแฟ้นกว่าเดิมเป็นผลจากมลพิษ จึงทำให้อวัยวะนั้นได้รับออกซิเจนจำกัดมากยิ่งขึ้น ด้วยเหตุที่สมองเป็นอวัยวะซึ่งไวต่อการขาดออกซิเจนมากที่สุด ดังนั้นจึงเกิดผลต่อระบบประสาทรวมอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่สามารถควบคุมตนให้ระมัดระวังและทำงานประณีตได้ รู้สึกปวดศีรษะเพิ่มมากขึ้น วิงเวียน คลื่นเหียนอาเจียน รู้สึกเปลี้ย หมดสติ ชัก และถึงตายหากได้รับมลพิษนี้มากถึงขนาด
ร่างกายคนเรามิได้ยินยอมให้เกิดอันตรายแต่ถ่ายเดียว ในทางตรงกันข้ามกลับเร่งรัดให้เลือดหมุนเวียนเร็วขึ้นเพื่อชดเชยออกซิเจนซึ่งขาดแคลน เช่น หายใจให้ถี่ขึ้น แต่ถ้าส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบชำรุดหรือไม่สมบูรณ์จนไม่อยู่ในสภาพที่จะหักโหมได้แทนที่จะช่วยให้ทุเลาลง ซ้ำร้ายกลับ ทำให้เกิดอันตรายมากขึ้น ตัวอย่างของคนกลุ่มนี้ คือ ผู้ที่เป็นโรคหัวใจ โรคหลอดโลหิต โรคโลหิตโรคโลหิตจาง โรคปอด ช็อก รวมทั้งทารกในครรภ์ทารกแรกเกิด ผู้หมดสติ หญิงมีครรภ์ เด็ก คนชราและผู้ที่อาศัยอยู่ตามภูเขาซึ่งมีออกซิเจนในบรรยากาศเจือจางกว่าบนพื้นที่ราบในระดับน้ำทะเล
เมื่อสูบบุหรี่ ร่างกายของผู้สูบ และผู้อยู่ใกล้เคียงได้รับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และ ไนโตรเจนออกไซด์มากผิดปกติ จะมีผลทำให้ออกซิเจนไปเลี้ยงสมองน้อย ดังนั้นหากสตรีมีครรภ์สูบบุหรี่หรือได้รับควันจากผู้สูบที่อยู่ใกล้ๆ ทารกจะได้รับออกซิเจนไปเลี้ยงสมองน้อยลงเช่นเดียวกับแม่ ในกรณี เช่นนี้ พบว่าทารกที่คลอดมักตัวเล็ก
ผู้ออกกำลังกายในที่ที่มลพิษทางอากาศจะได้รับอิทธิพลจากมลพิษในอากาศเร็วขึ้น เช่นในที่ที่มีก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซนี้จะลดออกซิเจนซึ่งหัวใจสูบฉีดไปพร้อมกับเลือดเพื่อเลี้ยงกล้ามเนื้อต่างๆ เมื่อขาดออกซิเจนจะรู้สึกเปลี้ยอ่อนแรงจนไม่อาจออกกำลังกายได้อีกต่อไปมีรายงานถึงโทษของโอโซนต่อผู้ออกกำลังกายมากกว่าผู้อื่นเช่นกัน ผลร้ายที่ร่างกายได้รับจากมลพิษเป็นพิเศษขณะออกกำลังกายนี้ อาจเกิดขึ้นเนื่องจากสาเหตุ ๒ ประการ คือ การออกกำลังต้องการอากาศเพิ่มมากขึ้นจึงสูดหายใจแรงและลึก จึงรับสารมลพิษปริมาณมากและลึกกว่าเวลาหายใจตามปกติ บางครั้งหากรู้สึกเหนื่อยอาจอ้าปากหอบเพื่อรับอากาศมากขึ้น ในกรณีนี้สารมลพิษจึงลัดผ่านระบบป้องกันขั้นต้นในโพรงจมูกอย่างสิ้นเชิง และ เข้าสู่ระบบหายใจส่วนลึกโดยตรงได้มากขึ้น
สารตะกั่วจากไอเสียของรถยนต์เป็นสารประกอบอนินทรีย์ในรูปฝุ่นขนาดเล็กเป็นส่วนใหญ่ถึงแม้เมื่อแรกเติมลงในน้ำมันเชื้อเพลิงนั้นจะเป็นสารประกอบอินทรีย์ก็ตาม แต่ได้แตกตัวและกลายรูประหว่างการสันดาปในเครื่องยนต์ ก่อนออกสู่บรรยากาศทางท่อไอเสีย ปริมาณนี้เพิ่มขึ้นเมื่อรถวิ่งเร็ว แต่จะลดน้อยลงเมื่อเดินเครื่องอยู่กับที่หรือไปๆ หยุดๆ
ฝุ่นตะกั่วเข้าสู่ระบบหายใจส่วนลึกได้เพราะมีขนาดเล็ก พิษของตะกั่วทำให้เกิดความผิดปกติต่อระบบเลือด ไต และ ประสาท ทำให้เกิดโรคโลหิตจาง ไต และสมองฝ่อ ทั้งนี้ส่วนใหญ่เป็นผลเรื้องรังจากการสะสมในระยะยาว ถึงแม้ร่างกายจะสามารถขับถ่ายตะกั่วออกทางปัสสาวะ อุจจาระผม เล็บ และเหงื่อได้บ้างก็ตาม แต่ตะกั่วบางส่วนคงอยู่ในกระดูก และกินเวลานานนับปีกว่าจะถูกขับถ่ายออกได้หมด
โดยสรุปสารมลพิษในอากาศสามารถทำอันตรายได้อย่างรุนแรงและฉับพลันทันทีหรือค่อยสะสมทีละเล็กทีละน้อยจนปรากฏอันตรายต่อร่างกายในระยะยาวหรือเรียกว่ามีอาการแบบเรื้อรัง โดยปกติแล้วอันตรายจากมลพิษขึ้นอยู่กับระดับความเข้มข้นของสารมลพิษควบคู่กับระยะเวลาที่ร่างกายรับอยู่ แต่ยังมีเงื่อนไขอื่นๆ เข้ามาประกอบอย่างสลับซับซ้อนทำให้ไม่อาจคาดคะเนผลจากมลพิษได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น คนบางกลุ่มไวต่อพิษภัยเป็นพิเศษและสารมลพิษต่างๆอาจมีปฏิกิริยาต่อกันจนก่อให้เกิดสารใหม่หรือเปลี่ยนแปลงพิษภัยไปจากเดิม แต่อย่างไรก็ตามระบบหายใจ และระบบเลือด จัดเป็นด่านแรกผลร้ายที่เกิดขึ้นอาจแก้ไขได้หรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่าง
