人类由于职业接触或者意外事故暴露观察到的症状主要有：氯痤疮，肝损害，卟啉血症，感觉障碍，精神障碍，食欲减退，体重减轻。长期暴露下可能引起肝毒性、癌症、流产、生产缺陷等生殖危害，并伤害神经、内分泌、免疫系统等；或引起成人代谢激素的改变，使糖尿病及心脑血管疾病发生率增加。

国际癌症研究中心IARC 1997年将二噁英中的TCDD分类为1级致癌物，即对人类有明确的致癌作用。据美国环保署2010年草拟提出的二噁英致癌斜率因子为1.0×106(mg/kg-day)-1，即在发病率在十万分之一到千万分之一时，一个人终生每天每公斤体重多摄入1pg二噁英，有95%的机会增加千分之一的癌症风险。但EPA未最终确定该数值。

历史上发生过两次的二噁英投毒事件：1997年维也纳纺织协会投毒案和2004年乌克兰总统候选人维克托•尤先科中毒案。前者两名毒害最深的病人血液中的TCDD浓度分别为144000 pg/g和27000 pg/g，而尤先科血液中的二恶英含量为108000 pg/g。其中，体内二噁英浓度为144000 pg/g的女人感觉不适，出现氯痤疮并伴随瘙痒，四肢无力并疼痛，并在随后2年内都感觉恶心。