Comme les autres fabricants de l'agent orange, herbicide et défoliant utilisé par l’armée américaine pendant la guerre du Viêt Nam, qui s’est révélé être cancérigène, Monsanto s'est vue intenter des procès par des vétérans américains et sud-coréens ainsi que par une association de victimes vietnamienne, dont certains ont abouti à une condamnation de la société.
La première étude suggérant la dangerosité potentielle de la dioxine, de composition assimilable à celle des polychlorobiphényles (PCB), utilisés comme retardeurs de flammes et isolants, parut aux États-Unis en 1937. Le problème soulevé par les médecins concerne à cette époque le développement de chloracné chez certains travailleurs des entreprises productrices ou utilisatrices des PCB. La même année, la Harvard School of Public Health organise une conférence à laquelle assistent des représentants des entreprises productrices de PCB dont Monsanto.
En 1966, l'étude du Suédois Soren Jensen montre que le PCB est responsable de problèmes environnementaux majeurs en Europe du Nord à cause de sa capacité à s'accumuler tout au long de la chaîne alimentaire (le lait maternel, les rivières, les poissons, les fruits de mer, la faune et la flore). Un constat identique de bioaccumulation est réalisé en 1968 pour les États-Unis par le Dr. Robert Riseborough de l'Université de Californie. La firme reconnaîtra l'année suivante la dangerosité des PCB.
En 1983, R.R. Suskind publie un article démontrant que les études menées par Monsanto sur un groupe de travailleurs exposés accidentellement en 1947 au 2,3,7,8-TCDD (dioxine de Seveso) contenu dans le 2,4,5-trichlorophénoxyacétique (2,4,5-T), composant de l'agent orange, avaient été falsifiées dans le but de démontrer l'innocuité du produit. Un rapport interne à l'entreprise, aujourd'hui déclassifié, affirme cependant, dès le début des années 1950, qu'il est nécessaire de « donner l'alarme » au sujet des PCB, car « la toxicité de ses composants a été démontrée de manière répétée ». En 1953, des chimistes de l’entreprise avaient testé les PCB sur des rats et découverts que, en doses moyennes, ils tuaient plus de 50 % des cobayes. L’entreprise connaissait donc de manière certaine à partir de 1953, soit plus de dix ans avant la prise de conscience générale de la communauté scientifique, les risques liés au PCB.
En 2002, Monsanto a été attaquée en justice par 3 450 résidents de la ville d'Anniston (Alabama) pour la contamination de rivières et du sol aux PCB. Des documents internes montrèrent que la firme savait depuis plus de 30 ans que les poissons des rivières environnantes étaient contaminés par les rejets d'une de ses usines. Selon un rapport déclassifié, établi en mars 2005 par l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA), 308 000 tonnes de PCB ont été fabriquées à Anniston de 1929 à 1971. Sur ce total, 32 000 tonnes de ces déchets contaminés ont été déposées dans une décharge à ciel ouvert, située sur le site même, au cœur de la communauté noire de la ville. À l'issue de ce procès, Monsanto a été jugée coupable d’avoir pollué « le territoire d’Anniston et le sang de sa population avec les PCB » et condamnée à payer 700 millions USD de dommages-intérêts. La firme signa, en marge du procès, un accord avec l'EPA pour un plan de nettoyage de la ville. Aucune peine de prison n'a été retenue contre les responsables de la firme (dans le droit américain il est difficile d'atteindre des personnes physiques au pénal pour des activités d'une personne morale (=entreprise), qui plus est il aurait fallu poursuivre les dirigeants de l'époque, le procès ayant eu lieu 30 ans après la fin du délit et 80 ans après le début du délit, ce qui pose de problème de prescription et de présence des responsables morts de vieillesse.
Monsanto possédait un centre de production de PCB à Newport dans le sud du Pays de Galles. The Guardian a révélé en 2007 que la firme avait payé des entrepreneurs pour enfouir des centaines de tonnes de déchets hautement toxiques de PCB sur le site de Groesfaen, à proximité de Cardiff, tout en connaissant les risques de contamination pour l’environnement et les habitants proches de la zone. L’entreprise a continué à produire des PCB et à rejeter les déchets au pays de Galles jusqu’en 1977, plus d’une décennie après qu’il avait été établi que la contamination des populations et de l’environnement ne faisait aucun doute.
Deux plaintes ont porté sur des mentions mensongères placées sur l’emballage du désherbant Roundup et concernant sa biodégradabilité. La première plainte contre l'herbicide a été déposée aux États-Unis dans l'État de New York. Le procureur général de cet État a condamné Monsanto, en 1996, au retrait des mentions jugées mensongères sur tous les emballages du désherbant incriminé.
En France, en janvier 2007, la 5e chambre du tribunal correctionnel de Lyon a condamné les sociétés Monsanto et Scotts France (distributeur du Roundup) à 15 000 euros d'amende pour publicité mensongère à la suite d'une plainte déposée par les associations Eau et rivières de Bretagne et UFC-Que choisir au sujet de l'étiquetage de l'herbicide. Le Roundup était, jusqu'à cette date, abusivement étiqueté en France « biodégradable » et « respecte l'environnement ». Le fait est que si le glyphosate est effectivement rapidement dégradé, ses produits de dégradation dont l'AMPA s'accumulent dans les nappes phréatiques. Ce jugement confirmé en appel fin octobre 2008 a conduit Monsanto à se pourvoir en cassation. Son pourvoi a été rejeté en octobre 2009.