根据大量的流行病学研究结果，终生不吸烟者暴露在二手烟中与肺癌之间的因果关系。研究人员对二手烟暴露与其他器官癌症的关系也进行了研究，虽然得出的结论不是很强的因果关系，很多研究发现，终身非吸烟者暴露在二手烟中增加患上其他癌症的几率，如乳腺癌、喉癌等癌症。比如，二手烟暴露最为典型的情况是为丈夫是吸烟者，其妻子是非吸烟者。当该人的妻子长达几十年的时间暴露在二手烟的环境中，最终患上乳腺癌和肺癌的可能性比丈夫不吸烟的高很多倍。
二手烟经过呼吸道吸入人体，上呼吸道包括鼻咽喉，下呼吸道包括气管、支气管与细支气管，上呼吸道具有保护功能，防止较大的颗粒等进入下呼吸道，引起气道堵塞。下呼吸道包括肺泡等，进入下呼吸道的颗粒有黏膜纤毛和巨噬细胞进行排除。当人体吸入二手烟的时候，上呼吸道的各种感受器开始发现异味，并引起不适。
无数的流行病学研究证明，人体吸入二手烟导致哮喘的发作。人体暴露在二手烟中，烟雾导致支气管高反应性（BHR）从而引发哮喘。二手烟烟雾中的尼古丁会增加支气管收缩剂的释放，从而引起吸气管收缩并进一步引发哮喘。流行病学研究表明，二手烟雾暴露增加了呼吸系统的易感性，恶化成年人和儿童的呼吸道感染的症状。大量研究表明，吸烟者和慢性肺阻塞（COPD）患者的呼吸道、血液和尿液中的氧化剂含量增加，氧化应激标志物增加，而氧化应激标志物会导致肺阻塞的产生。一些研究表明，尤其是在儿童中，二手烟暴露与急性或慢性鼻窦炎之间存在关联性。
当吸入的二手烟的烟雾通过肺泡交换，其中一些有害物质进入血液，就开始对人体的心血管系统造成损害。基于对主动吸烟损害人体的心血管系统研究，二手烟对人体的心血管系统造成了危害。人体暴露在二手烟中会激活血小板（即，使其粘稠），因此增加血栓形成的可能性。研究人员发现吸烟者吸入二手烟对血小板的激活作用不大。但是不吸烟者暴露在二手烟中，血小板对前列环素的敏感性显著增加，他们达到了一个水平与吸烟者相似的水平，血小板开始迅速的变得粘稠，从而形成血栓。血栓的形成是一系列致命疾病的基础，如中风、心梗等严重威胁生命安全的疾病。
二手烟对人体内皮功能和血管舒张功能的影响与动物研究结果一致。大多数临床研究表明，在慢性和急性暴露在二手烟后，不吸烟者的内皮依赖性血管舒张素分泌增加。事实上，二手烟对非吸烟者的冠状动脉循环内皮依赖性血管舒张功能的影响与对吸烟者的是一致的。内皮功能障碍也可能导致血管损伤和动脉粥样硬化的发展。正常内皮细胞促进血管舒张并抑制动脉粥样硬化血栓形成，环芳烃，包括B[a]P和1,3丁二烯，是二手烟的非常有害的成分，它们影响血管舒张功能。
多环芳烃似乎优先与胆固醇的低密度脂蛋白和高密度脂蛋白亚组分结合，并可能促进有毒化合物进入冠状动脉内衬细胞。因此，暴露于二手烟中多环芳烃可能导致由细胞损伤和增生引起的血管壁的硬化过程。除了对单一烟草烟雾成分的研究外，动物实验还表明，暴露在二手烟中仅数周就显著加快了动脉粥样硬化的进程。
自由基是高活性氧产物，对心肌细胞膜与细胞内的其他过程具有破坏性。烟草烟雾含有高水平的活性氧，香烟烟雾成分导致各个器官的炎症反应是损伤器官的关键途径。实验表明，在心脏再灌注损伤期间，暴露于二手烟会通过自由基恶化心脏缺血事件的发生。动物研究表明，低暴露于尼古丁或其他香烟烟雾成分显著恶化再灌注损伤。非吸烟女性暴露在二手烟，导致抗氧化维生素水平偏低。尽管β-胡萝卜素、视黄醇、L-抗坏血酸和α-生育酚的饮食摄入量相似，但丈夫吸烟的妇女，二手烟暴露程度与血浆β-胡萝卜素和L-抗坏血酸浓度之间存在剂量依赖关系。
接触二手烟会增加心梗的严重性。直接的动物数据表明，二手烟会增加心肌梗死后的组织损伤。实验狗连续10天每天接触二手烟1小时，出现冠状动脉阻塞，进而出现心梗的几率是对照组呼吸清洁空气的狗的两倍。吸入二手烟对呼吸道、心血管系统造成危害，造成的危害与暴露的时间和剂量有关，提示在家庭环境、办公环境中二手烟的危害的严重性。
由于二手烟中含有点燃香烟中的主流与支流烟雾，支流烟雾在较低的温度下燃烧，产生了比主流烟雾更为有害的物质，科学研究对这些物质的成分进行分析，确定了二手烟有害的原因与机理，并结合临床和动物实验的结果，证实了二手烟有害的分子生物学基础。