氯气主要通过呼吸道侵入人体，溶解在黏膜所含的水分里，生成次氯酸和盐酸，对上呼吸道黏膜造成有害影响。次氯酸使组织受到强烈的氧化，盐酸刺激黏膜发生炎性肿胀，使呼吸道黏膜浮肿，大量分泌黏液，造成呼吸困难。氯气中毒的明显症状是剧烈咳嗽，症状重时，会引发肺水肿，使循环作用困难而致死亡。由食道进入人体的氯气会使人恶心、呕吐、胸口疼痛和腹泻。
氯气吸入后主要作用于气管、支气管、细支气管和肺泡，导致相应的病变，部分氯气又可由呼吸道呼出。人体对氯的嗅阈为0.06mg/m³，90mg/m³可致剧咳，120～180mg/m³，30～60min可引起中毒性肺炎和肺水肿，300mg/m³时，可造成致命损害，3000mg/m³时，危及生命，高达30000mg/m³时，一般滤过性防毒面具也无保护作用。
氯气的中毒机制在于其吸入后与粘膜和呼吸道的水作用，形成氯化氢和新生态氧。氯化氢可使上呼吸道粘膜炎性水肿、充血和坏死，新生态氧对组织具有强烈的氧化作用，并可形成具细胞原浆毒作用的臭氧。氯浓度过高或接触时间较久，常可致深部呼吸道病变，使细支气管及肺泡受损，发生细支气管炎、肺炎及中毒性肺水肿。由于刺激作用使局部平滑肌痉挛而加剧通气障碍，加重缺氧状态；高浓度氯吸入后，还可刺激迷走神经引起反射性的心跳停止。
其他卤素单质如溴、碘等也具有类似毒性，但程度可能有所不同。在接触卤素单质时，应采取适当的防护措施，避免吸入或摄入，以免对健康造成危害。
