En particulier dans les sols, les néonicotinoïdes persistent pendant des mois, et dans certains cas des années, dès lors des concentrations environnementales peuvent apparaître. Cela augmente efficacement leur toxicité en augmentant la durée d’exposition des espèces non cibles.

Les métabolites des néonicotinoïdes (les composés qui résultent de leur décomposition dans les organismes, ou toxicocinétique) sont souvent plus toxiques que les matières actives.

Les mesures classiques utilisées pour évaluer la toxicité d’un pesticide (résultats à court terme – 48h ou 96h – de toxicité aiguë en laboratoire) ne sont pas efficaces pour tester les pesticides systémiques, elles masquent ainsi leur véritable impact. En général, elles ne mesurent que les effets aigus directs plutôt que des effets chroniques via de multiples voies d’exposition. Dans le cas des effets aigus seuls, certains néonicotinoïdes sont au moins 5 000 à 10 000 fois plus toxiques pour les abeilles que le DDT.

Les effets de l’exposition aux néonicotinoïdes s’étendent de l’effet instantané mortel aux effets chroniques. Même l’exposition à long terme à des niveaux de concentrations faibles (non létales) peut être nocive. Ils sont des poisons du système nerveux et les dommages chroniques causés peuvent inclure : l’altération de l’odorat ou de la mémoire ; la diminution de la fécondité ; la modification du comportement alimentaire et la réduction de la prise alimentaire y compris la réduction du butinage chez les abeilles ; la modification du comportement de creusement des galeries chez les vers de terre ; la difficulté à voler et une susceptibilité accrue aux maladies.