饮用水中化学物质对健康的不良影响主要是长期较低剂量暴露于这些化学成分所致，包括致癌性毒性和非致癌性毒性。
化学物质引起正常细胞发生恶性转化并发展成恶性肿瘤的作用称为化学致癌作用，该物质则被称为化学致癌物。致癌物分为遗传毒性致癌物和非遗传毒性致癌物。一般认为:遗传毒性化学致癌物的始动过程是在体细胞(即除卵细胞和精子外的细胞)的遗传物质脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA) 中话发突变，在任何暴露水平(即无阙值) 都具有理论上的危险性。另一方面，有的致癌物能在动物或人体生成癌瘤，并不具有遗传毒性，而是通过间接机制起作用的。一般认为，非遗传毒性致癌物存在阙值。
在评估化学物质潜在致癌作用时，主要以长期动物实验为基础。有时也有流行病学研究数据，其大多数来源于职业暴露。根据现有证据，国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer，IARC) 将化学物质按照其潜在致癌风险进行分组:1 组，对人体致癌的物质:2A 组，很可能使人致癌的物质:2B组，可能使人致癌的物质: 3 组，不按对人有无致癌作用来分类的物质: 4 组可能不会使人致癌的物质。而 USEPA 对现存化合物或危害未明的化合物的资料进行评估后，根据动物和人类资料证据的程度进行分组:A 组，人类致癌物:B组，很可能的人类致癌物 (包括两个亚组，即 B1，流行病学研究证明其致癌性证据有限:B2，动物实验有充足的证据，但流行病学研究的证据不足或缺乏):C 组，可能的人类致癌物: D 组，不能确定为人类致癌物:E 组，对人类无致癌证据物质。
WHO 制订的《饮用水水质准则》 中涉及致癌及可能致癌的无机物和有机物共有 36 项。无机物主要包括含有铬、砷、锅、铅和汞等重金属的单质及化合物:有机物主要包括挥发酚类、四氯化碳、苯并花、亚硝胺及饮用水处理过程中生成的多种 。
根据有害影响的部位，化学物质的非致癌毒性可以分成肝毒性、肾毒性、呼吸毒性、神经毒性、造血毒性、循环毒性、生殖毒性。甲基汞、铝、汞、锰、铅和有机氯农药等被证实具有神经毒性。研究发现 50 多种广泛使用的化学物质对实验动物具有生殖毒性，如内分泌干扰物(双酚和有机氯等) 与金属(铅、锅汞、砷和锰等)。氟化物和砷是饮用水中两类地域性很强的化学物质。例如，暴露于天然高氟水可导致氟斑牙，严重时可造成致残性氟骨症。类似的，如果天然饮水中砷浓度过高，除有致癌危害外，还可导致许多非致癌性的皮肤损害，包括黑变病、色素沉着和皮肤角化。
大量的流行病研究和实验数据表明，化学物质低于某一剂量时无法观察到产生的健康危害现象，即化学物质的非致癌毒性被认为存在朗值现象[.