À doses significatives, le thiomersal est très toxique par inhalation, par ingestion et par contact avec la peau (CE symbole de danger T +), avec un danger d'effet cumulatif.
Il est également très toxique pour les organismes aquatiques. Le mercure n'étant pas biodégradable, il peut causer à long terme des effets néfastes dans les milieux aquatiques (CE symbole de danger N)
Dans le corps, il est métabolisé ou dégradé en éthylmercure (C2 H 5 Hg ) et thiosalicylate
Il semble que peu d'études de la toxicité du thiomersal aient été faites chez l'Homme.
Concernant ses effets après inoculation, des expériences sur le modèle animal suggèrent que le thiomersal se dissocie rapidement en libérant de l'éthylmercure, peu après le moment de l'injection ; et que la biodisponibilité du mercure soit alors comparable à ce qu'elle est après une exposition à des doses équivalentes de chlorure d'éthylmercure ; c'est-à-dire que le système nerveux central et les reins sont alors les cibles des composés mercuriels, avec au delà d'une certaine dose des symptômes de défaut de coordination motrice. Des signes et symptômes similaires ont été observés chez l'homme au cours d'intoxications accidentelles.
Les mécanismes précis d'action toxique de ce produit sont encore inconnus.
L'élimination de cette forme de mercure par l'organisme passerait essentiellement par l'excrétion fécale (donc avec contamination des effluents et eaux usées, pour des quantités qui peuvent commencer à paraître écotoxicologiquement significatives dans le cas d'une vaccination massive de cheptels animaux ou d'une ville ou d'un pays).
L'éthylmercure aurait une « durée de demie-vie » dans le sang d'environ 18 jours, et de 14 jours environ dans le cerveau.
Le mercure inorganique métabolisé à partir de l'éthylmercure a une clairance beaucoup plus longue, d'au moins 120 jours ; cette forme du mercure semble bien moins toxique que le mercure sous forme inorganique produit à partir de vapeur de mercure et inhalé, pour des raisons encore mal comprises.
L'évaluation des risques et effets sur le système nerveux humain a été faite sur la base d'extrapolations à partir de la relation dose-réponse pour méthylmercure lequel (comme l'éthylmercure) - après injection - circule dans tout le corps et se distribue dans tous les tissus de l'organisme, sans être bloqué ni freiné par la barrière hémato-encéphalique ni par la barrière placentaire .
Ces extrapolations faites à partir du méthylmercure ont incité les autorités sanitaires à faire retirer le thiomersal des vaccins pour enfants aux États-Unis (à partir de 1999). Depuis, il a été constaté que l'éthylmercure est métabolisé et éliminé du corps et du cerveau beaucoup plus rapidement que ne l'est le méthylmercure ; ce qui a fait dire à certains, à la fin des années 1990, que les évaluations des risques ont peut-être été trop prudentes . Selon une étude publiée en 2008, la durée de demie-vie du mercure (sous cette forme) dans le sang serait, après la vaccination, en moyenne de 3,7 jours pour les nouveau-nés et les nourrissons, soit beaucoup plus courte que les 44 jours nécessaires à l'élimination de la moitié d'une dose inoculée ou ingérée de méthylmercure
