À dose faible, la nicotine a un effet stimulant. Elle provoque une augmentation de la pression artérielle et du rythme cardiaque, provoque une libération d'adrénaline (hormone stimulante) et réduit l'appétit. À haute dose, elle provoque des nausées et vomissements puis la mort par paralysie respiratoire (surdose). La DL pour un rat est de 50 mg·kg-1, pour une souris de 3 mg·kg-1, pour un humain de 50 mg en moyenne (0,5–1 mg·kg-1). Une autre source indique une dose létale pour l'être humain de 60 mg.
Le tabac contient un alcaloïde, la nicotine, dont l'absorption induit un effet psychoactif de stimulation cérébrale et simultanément de légère relaxation physique. L'accoutumance du système nerveux central à la nicotine est très rapide : quelques cigarettes suffisent à entraîner une dépendance physique, puis ultérieurement psychologique. Le manque de nicotine, longtemps considéré comme principal responsable de l'addiction au tabagisme n'est pourtant pas ressenti physiquement : il se manifeste subjectivement par des troubles de la concentration, un état de tension ou de l'irritabilité.
La responsabilité de la nicotine dans la dépendance au tabagisme est contestée dans l'ouvrage Dépendance à la nicotine : Critique d'une théorie. En effet, il ne semble pas que les timbres transdermiques de nicotine ou la nicotine injectée aient un effet addictif, à la différence de la consommation de tabac, fumé ou non.
Certains modes de tabagisme induisent rapidement une dépendance physique et son sevrage peut entraîner des symptômes tels que irritabilité, maux de tête et anxiété pouvant conduire dans des cas extrêmes à une dépression. Bien que leur maximum se situe aux alentours de 3 à 4 jours, ces symptômes peuvent durer quelques semaines après la dernière mise en relation avec la nicotine. Il convient donc d'apprendre à y faire face efficacement : ne pas hésiter à solliciter une aide à l'arrêt en cas de difficulté persistante, sans attendre la manifestation des effets indésirables à long terme du tabagisme.
Un surdosage en nicotine se manifeste par des :