大气污染对人体健康的影响，取决于大气中有害物质的种类、性质、浓度和持续时间，也取决于人体的敏感性。例如，飘尘对人体的危害作用就取决于飘尘的粒径、硬度、溶解度和化学成分，以及吸附在尘粒表面上的各种有害气体和微生物等。有害气体在化学性质、毒性和水溶性等方面的差异，也会造成危害程度的差异。另外，呼吸道各部分的结构不同，对毒物的阻留和吸收也不尽相同。一般地说，进入愈深，面积愈大，停留时间愈长、吸收量也愈大。
大气中化学污染物的浓度一般比较低，对人体主要产生慢性毒毒副作用。但在某些特殊条件下，如工厂发生事故，使大量污染物骤然排出，或气象条件突然改变（如出现无风、逆温、浓雾天气），或地理位置特殊（如地处山谷、盆地等），使大气中有害物质不易扩散，这时有害物质的浓度会急剧增加，引起人群急性中毒，尤其对患有呼吸道慢性疾病和心脏病的人会使病情加重甚至死亡。
直接刺激呼吸道的有害化学物质（如二氧化硫、硫酸雾、氯气、臭氧、烟尘）被吸入后，会引起支气管反射性收缩、痉挛、咳嗽、喷嚏和气道阻力增加。在毒物的慢性作用下，呼吸道的抵抗力会逐渐减弱，诱发慢性呼吸道疾病，严重的还可引起肺水肿和肺心性疾病。据流行病学调查资料，城市大气污染是慢性支气管炎、肺气肿和支气管哮喘等疾病的直接原因或诱因。
大气中的无刺激性有害气体，由于不能为人体感官所觉察，其危害比刺激性气体还要大。如一氧化碳通过呼吸道进入血液，可形成碳氧血红蛋白，造成低血氧症，致使人体组织缺氧，影响中枢神经系统和酶的活动，出现头晕、头痛、恶心、乏力，严重时会昏迷致死。
在城市，特别是某些工厂附近的大气中，还含有潜在危害的化学物质，如镉、铍、锑、铅、镍、锰、汞、砷、氟化物、石棉、有机氯杀虫剂等。它们虽然浓度很低，但可在体内逐渐蓄积。大气中的这些有毒污染物，还可降落在农作物上、水体和土壤，然后被农作物吸收并富集于蔬菜、瓜果和粮食中，通过食物和饮水也能在人体内蓄积，造成慢性中毒。这些物质对机体的危害，在短期内并不明显，经过长期蓄积，也会影响神经系统、内脏功能和生殖、遗传等。
大气中某些有害化学物质还具有致癌作用。它们大部分是有机物，如多环芳烃及其衍生物，小部分是无机物，如砷、镍、铍、铬等。在大气污染严重的城市，烟尘和汽车废气中，可检出30多种多环芳烃组分，其中苯并（a）芘的存在比较普遍，致癌性也最强。上世纪50年代以来，各国城市居民的肺癌发病率和死亡率都在逐渐增高，而且显著高于农村。
放射性物质，其主要来自核爆炸产物，是大气中对人体健康危害较大的另外一类污染物。放射性矿物的开采和加工、放射性物质的生产和应用，也能造成对空气的污染。污染大气起主要作用的是半衰期较长的放射性元素，放射性元素在体外，对机体有外照射作用；通过呼吸道进入机体，则有内照射作用。除核爆炸地区外，大气中的放射性物质，一般不会造成急性放射病，但长时间超过允许范围的小剂量外照射或内照射，也能引起慢性放射病或皮肤慢性损伤，包括引起癌变、不育和遗传的变化或早死等。
大气中的生物性污染物是一种空气变应原，主要有花粉和一些霉菌孢子。这些由空气传播的物质，能在个别人身上引起过敏反应。空气变应原可诱发鼻炎、气喘、过敏性肺部病变。另一种是病原微生物。抵抗力较弱的病原微生物在日光照射、干燥的条件下，很容易死亡，一般空气中，数量很少。抵抗力较强的病原微生物，如结核杆菌、碳疽杆菌、化脓性球菌，能附着在尘粒上污染大气。
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