Les effets indésirables sont nombreux notamment sur la sphère neuro-psychique : agitation, confusion, vertige, diplopie, maux de tête… mais la carbamazépine occasionne aussi des troubles digestifs comme des nausées, des troubles cardiaques comme des troubles du rythme, des troubles cutanées telles des photosensibilisations. Des allergie sévères par mécanisme d'hypersensibilité peut conduire à des atteintes graves (DRESS syndrome, syndrome de Lyell, syndrome de Stevens-Johnson, agranulocytose, aplasie médullaire…).
Il est rapporté des effets cutanées graves (syndrome de Lyell) plus fréquents dans la population asiatique ayant le marqueur allélique HLA-B*1502.
Le surdosage en carbamazépine peut-être aigu ou chronique. La prise volontaire ou non d'une surdose brutale de cabamazépine conduit à des troubles du rythme cardiaque et tensionnels, des troubles neurologiques (léthargie, coma…) alors qu'un surdosage chronique (erreur de dosage, prise concomitante de médicaments allongeant la demi-vie de la carbamzépine…) conduit plus volontiers à des désordres hydroélectrolytiques, cutanées et hématologique. La prise en charge de ces surdoses consiste à un traitement symptomatique, il n'y a pas d'antidote connu. La prévention d'un surdosage chronique fait appel à la surveillance des taux plasmatique du médicaments.