铊的毒性反应机理是多方面的，但是很多细节仍然不为人知。目前已经了解到的铊致毒机理包括：
I价铊离子与钾离子化学性质相似，在生物体内会与钾离子发生竞争，影响有钾离子参与的生理活动如神经冲动的传导等。
铊离子与蛋白质中的巯基结合，致使其失去生理活性，目前已知铊会与线粒体中相关蛋白结合，导致氧化磷酸化失偶联，干扰机体的能量代谢；铊还会与角蛋白中的巯基结合，影响角蛋白的合成，导致脱发和mess纹的产生。
铊与核黄素结合，干扰生物氧化的过程，引起外周神经炎。
铊会干扰DNA的合成并抑制有丝分裂。
铊可以穿过胎盘对胎儿造成损害，还能够穿过血脑屏障。
