Une fertilisation excessive, notamment en azote minéral soluble, peut entraîner une pollution des eaux de surface, voire des nappes phréatiques.
En surface, azote(nitrates, nitrites) et phosphore(phosphates), qui proviennent aussi des effluents d'élevage, des eaux usées urbaines et des rejets de certaines industries, peuvent provoquer dans les cours d'eau une prolifération d'algues qui, à terme provoque une asphyxie des cours d'eau(plus d'oxygène) et donc entraînerait la « mort » des cours d'eau si faune et flore venaient à disparaître. Ce phénomène est mieux connu sous le nom d'eutrophisation.
Voir le cas du du fleuve Saint-Laurent
La fertilisation est indispensable pour améliorer les rendements. Elle doit être correctement évaluée pour se situer à l'optimum économique. Il existe en effet, si l'on observe l'évolution du rendement en fonction de la dose d'élément fertilisant apportée, un seuil technique au-delà duquel le rendement diminue par effet de toxicité (surdose) et un seuil économique, inférieur au précédent, au-delà duquel le gain supplémentaire ne couvre plus le coût additionnel. Ce seuil est délicat à évaluer car le rendement dépend d'autres facteurs moins bien maîtrisés, notamment en culture de plein champ, comme la pluviométrie.
Néanmoins, un niveau de fertilisation adapté est nécessaire pour obtenir le niveau de production permis par le potentiel génétique d'une espèce donnée. Les progrès dans ce domaine se situent surtout dans les méthodes de diagnostic (analyses des sols, analyses des plantes, par exemple diagnostic foliaire), dans la compréhension des interactions entre les éléments minéraux, le sol et les plantes, et dans les techniques de fertilisation de manière à répondre le plus précisément possible, compte tenu des contraintes techniques et économiques, aux besoins des plantes en croissance tout en limitant les effets sur le milieu naturel.
Le développement de la fertilisation a été un des éléments clé de la révolution agricole. Si dans les pays occidentaux, on a probablement atteint un seuil de saturation, le niveau de fertilisation est encore nettement insuffisant dans la plupart des pays du tiers monde.