当吸烟者点燃一支香烟，产生的烟雾包括主流烟雾、支流烟雾与二手烟雾中含有4000多种物质就飘散出来。随着化学提纯与分析技术的发展，2000年香烟中分离出的致癌物质已经到69种。在支流烟雾中，检测出的致癌物质有30种，这些致癌物经过科学研究，无论是动物实验还是人体病理学的结果证明，能直接导致人体患上癌症，或者说，这些物质满足一致性的致癌的所有条件。
二手烟或者支流烟雾中其包括一些多环芳烃[PAHs]、杂环、杂环芳香胺、硝基化合物和其他杂项有机化合物。多环芳烃是一大类致癌性的物质，其中苯并[a]芘在实验中证实吸入、注入气管、植入、或经腹腔、静脉、皮下或其他途径给药肺部时会诱发上呼吸道和肺部肿瘤。钢铁铸造厂工人铝和焦炭生产厂工人也暴露在多环芳烃中，被视为这可能是这些地区工人患过多癌症的原因之一。
二手烟中含有的亚硝胺是一大类致癌物，能在许多物种中诱发癌症，能直接导致人类癌症。在实验动物中，许多N-亚硝胺是强致癌物质，表现出显著的器官特异性并影响特定的器官。其中烟草烟雾中的4-(N-亚硝基甲氨基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)与N-亚硝基降烟碱(NNN)是烟草特有的亚硝胺类物质，与发霉的花生中的黄曲霉一样，被世界卫生组织界定为1类致癌物，能直接引起食道和鼻腔肿瘤。NNK是尼古丁亚硝基化或微量烟碱亚硝基化形成的，它仅发现于烟草产品中或可能存在于含尼古丁的其他产品中，从未在饮食或普通无烟雾污染的环境中发现，其简写NNK是为了强调它与尼古丁的关系，即指尼古丁来源的N-亚硝胺。NNK主要靶点是肺部，在所有三种常用的啮齿动物模型中，是唯一通过全身给药诱发肺肿瘤的致癌物，能直接导致实验动物患上肺癌。
在支流烟雾中，高温下蒸馏出来的丁二烯中也有大量的挥发性碳氢化合物。，其中包括苯。丁二烯是一种多器官致癌物，对小鼠尤其有效，苯会导致人体患上白血病。在染料行业被确定为致癌的芳胺类物质在支流烟雾中也有发现，其中2-萘胺和4-氨基联苯被证明能引起人类的膀胱癌。甲醛和乙醛是比多环芳烃、N-亚硝胺和芳香胺更弱的致癌物质，已经发现存在在支流和二手烟中。当吸入甲醛和乙醛时，会在啮齿动物中诱发呼吸道肿瘤。
大量研究表明，主流香烟烟雾冷凝液（烟雾中的固体物质）会在小鼠皮肤上诱发肿瘤，用主流烟雾进行的吸入实验表明，香烟烟雾及其微粒相可诱发叙利亚金黄地鼠的喉癌前病变并导致其他良性和恶性肿瘤。
香烟自燃时冒出支流烟与主流烟相比，含有更多的有害物质。首先，支流烟直接从香烟燃烧的一端冒出，没有像主流烟那样被过滤嘴过滤。其次，当人吸烟时，烟头燃烧的温度较高，而香烟自燃时温度则较低，两者大约相差300℃左右。支流烟是在烟头温度较低的自燃状态下产生的。较低的燃烧温度使得支流烟雾中含有浓度更高的一氧化碳和致癌物质。根据美国政府的职业安全与健康署的测定，支流烟中主要有害物质的浓度，都比主流烟高出几倍或几十倍。例如，支流烟中一种致癌力很强的亚硝胺甲酯的浓度，是主流烟的200倍。所以，美国环境保护委员会将二手烟与石棉、砷、苯、氡一起界定为世界上最危险的五种致癌物质，也是世界卫生组织界定的A类致癌物质。
当吸烟者点燃一支烟的时候，除了吸烟者自己通过烟嘴吸进肺部的烟以外，将烟拿在手上或者放在烟灰缸傍边，让点燃的香烟自燃，这种烟雾其实含有更高的致癌与其他有害物质，随着空气的流动，烟雾扩散开来，影响的就不只是自己的健康，而是在同一空间中的其他人的健康，因此，对吸烟者而言，尽量不要在室内将自然的香烟放在烟灰缸上，如果不吸就把香烟掐灭。