Voľný chlór Cl₂ je pre živé organizmy prudký jed. Značný dráždivý účinok vyvoláva koncentrácia chlóru 0,001 – 0,006 mg⋅dm⁻³. Otrava strednými a nízkymi koncentráciami chlóru sa prejavuje bolesťou v hrudnej časti, rezaním očí, slzením a dusivým kašľom. Na čistom vzduchu sa dýchanie obnovuje. Pri pol hodinovom pôsobení chlóru s koncentráciou 0,1 – 0,2 mg⋅dm⁻³ je ohrozený život. Pri otrave vyššími koncentráciami po vdýchtutí nastáva krátky kŕčový výdych a lapanie vzduchu. Nasledujú nekoordinované pohyby a strata vedomia, tzv. “sekundová smrť”.

Okrem chlóru, aj niektoré jeho zlúčeniny majú toxický účinok na ľudský organizmus. Takouto látkou je fosgén COCl₂. Fosgén je plyn, ktorý dráždi dýchacie cesty, spojivky a kožu. Koncentrácia 0,01 – 0,04 mg⋅dm⁻³ môže poškodiť v priebehu 2 až 12 hodín bunky alveoálnej výstelky a vyvolať edém pľúc. Koncentrácia 0,05 mg⋅dm⁻³ je považovaná za smrteľnú. Spasmus svalov dýchacích ciest spôsobuje, že postihnutý sa dusí. Fosgén reaguje s –NH₂, –OH a –SH skupinami v pľúcnych prepážkach a hydrolýzou vzniká chlorovodík, ktorý však pôsobí len pri vyšších koncentráciách.

Chlór má dezinfekčné účinky a preto sa používa na ničenie choroboplodných zárodkov v pitnej vode. Dnes však vieme, že chlór sa vo vode môže viazať na niektoré organické zvyšky a vytvárať trihalogénmetány, hlavne trichlórmetán CHCl₃ (chloroform) a tie môžu mať rakovinové účinky. Normy v SR v pitnej vode stanovujú maximálnu koncentráciu chloroformu na hodnotu 0,03 mg⋅dm⁻³, kým normy v USA pripúšťajú hodnotu až 0,35 mg⋅dm⁻³. Na Slovensku je asi desaťkrát nižšie riziko vzniku rakoviny vplyvom chloroformu ako v iných krajinách (USA, Holandsko, Dánsko). Prítomnosť chloroformu v pitnej vode je možné odstrániť zmenou dezinfekcie (napr. ozónom), znížením koncentrácie humínových látok alebo odstránením vzniknutého chloroformu. Filtre s práškovým uhlíkom sú pre zachytávanie uvedených látok neúčinné. Ak už nie je možné pitnú vodu dezinfikovať iným, menej škodlivým spôsobom ako chlórom, malo by sa aspoň dbať o to, aby pitná voda obsahovala čo najmenej látok humínového typu.