Los neonicotinoides permanecen meses y, en algunos casos, años (especialmente en el suelo) y las concentraciones en el medioambiente pueden aumentar. Esto incrementa su toxicidad de forma eficaz al aumentar la duración de exposición de las especies no diana.
Los metabolitos de los neonicotinoides (los compuestos en los que pueden descomponerse) suelen ser igual de tóxicos o más que los principios activos.
Las mediciones clásicas empleadas para evaluar la toxicidad de un pesticida (resultados de toxicidad aguda en el laboratorio) no son eficaces con los pesticidas sistémicos y ocultan su verdadero impacto. Normalmente esas pruebas sólo miden los efectos agudos directos en lugar de los efectos crónicos por diversas rutas de exposición. En el caso de los efectos agudos, algunos neonicotinoides son al menos entre 5.000 y 10.000 veces más tóxicos para las abejas que el DDT.
Los efectos de la exposición a neonicotinoides van de instantáneos y letales a crónicos. Incluso la exposición a largo plazo a niveles bajos (no letales) puede resultar perjudicial. Se trata de venenos neurotóxicos, y el daño crónico que causan puede incluir: una disminución del sentido del olfato o la memoria; la reducción de fecundidad; un apetito alterado y reducida ingestión de alimento, incluida la búsqueda de alimento en las abejas; la excavación alterada en las lombrices de tierra; una dificultad para el vuelo y mayor propensión a enfermedades.