Les phosphates naturels minéraux (guano ou phosphates d'origine sédimentaire) ont été très utilisés, notamment dans les sols acides où le phosphore est un des nutriments limitant pour les plantes. On les utilise seuls ou plus souvent associés à de l'azote et du potassium (NPK) ; sous forme de super phosphate triple (TSP), le superphosphate simple (SSP), le phosphate diammonique (DAP), phosphate monoammonique (MAP), sous forme sèche ou liquide...
Si les phosphates sont normalement présents et utiles à faible dose dans l'eau et les sols, leur excès est (avec les nitrates) une des causes de l'eutrophisation voire de dystrophisation de l'environnement.
Ils contribuent notamment aux problèmes de turbidité liés au verdissement des eaux (dont lors de blooms planctoniques) et aux phénomènes de zones marines mortes en aval des estuaires. Ils sont aussi source de « métaux-lourds », qui sont pour certains éventuellement radioactifs.
De plus le phosphore d'origine minérale est souvent, dans les engrais, associé à des métaux toxiques (cadmium (jusqu'à 87 mg·kg-1 dans un engrais produit au Sénégal, le chrome (Cr), le mercure (Hg) et le plomb (Pb), et à des éléments radioactifs, dont l'uranium (U) ; jusqu'à 390 mg·kg-1 dans les mines tanzaniennes de Minjingu contre 12 mg·kg-1 dans le gisement tunisien de Gafsa, or le phosphate de Minjingu est agronomiquement très efficace, et peu couteux, et donc très utilisé sur des sols acides cultivés, ce qui pose des questions toxicologiques et sanitaires pour les ouvriers des mines et écotoxicologiques (pour les stériles minières, dont crassiers de phosphogypse radioactif). Le cadmium dont la première source dans un champ est souvent l'engrais phosphaté peut poser de graves problèmes, et il est particulièrement bioassimilable dans le cas d'engrais phosphatés hydrosolubles, alors que, parce que lié à l'Apatite, il est moins solubles dans les engrais non hydrosolubles.). Il est encore plus bioassimilable dans les sols acides et/ou en présence d'une carence en certains autres oligoéléments (fer...)
Les transferts horizontaux ou verticaux de phosphates vers les eaux de surface varient fortement (de 0,1 à 2,5 kg/ha/an), selon le type de sol, son pH, sa teneur en humus, et ses usages (labour, prairie permanente, etc). En moyenne, 9% du phosphore dont la moitié apporté par les engrais) est emporté par les eaux de ruissellement.
Les engrais phosphatés minéraux sont aussi très riches en fluor (provenant de l'apatite qu'ils contiennent). Le fluor dépasse souvent 3% du poids total (environ 250 g de F/kg de phosphate). Ce fluor peut causer une fluorose aux animaux qui pâturent les sols traités, probablement pas parce qu'ils absorbent ce fluor via les plantes (qui le bioconcentrent peu), mais parce qu'ils ingèrent de la terre ainsi enrichie en fluor, avec leur nourriture ou en se léchant.
Dans les cultures, le phosphore est normalement absorbé par les plantes par l'intermédiaire des mycorhizes. Or, les apports excessifs d'engrais phosphatés tuent ces organismes, rendant inopérante cette étape clé du cycle du phosphore. Les plantes cultivées ne peuvent ainsi plus profiter de ce mécanisme, et ne peuvent plus assimiler le phosphore autrement que par de nouveaux apports massifs de phosphates.
En France ; selon le bilan publié en 2009 sur les phosphates dans les sols de la France métropolitaine, en 2001, ce sont 775.000 tonnes qui ont été apportées aux sols français sous forme d'engrais minéraux. 6 ans plus tard (en 2007) sur 2.372 points de mesure, près de la moitié des sols analysés en France posent encore problème : 2% sont de qualité mauvaise, 4% médiocre, 12% moyenne, 55% bonne et 27% très bonne.
Les engrais minéraux restent la première source de phosphore perdu dans les eaux (50%) en France, devant les déjections animales (directement ou plus souvent via les fumiers et épandages de lisier) (40%). Viennent ensuite les effluents urbains domestiques (environ 5%) et industriels (2%) ainsi que les boues de stations d’épuration (2%).
En France et dans d'autres pays d'Europe, les agriculteurs ont globalement acheté moins d’engrais minéraux phosphatés (deux tiers en moins de 1972 à 2008), mais cette diminution concerne surtout les zones de déprise agricole ou d'agriculture biologique ; les analyses montrent que des teneurs en phosphore de certains sols agricoles ont fortement augmenté (+ 43% des cantons étudiés, notamment en Bretagne, Pays de la Loire, Champagne-Ardenne et Aquitaine). Avec le développement des stations d’épuration et de l’élevage hors-sol, les quantités de boues et fumiers ou lisiers épandus ont fortement augmenté depuis les années 1970. Ces boues sont le plus souvent épandues, comme les fientes d'élevage avicoles sur les sols agricoles.
En France, les dispositifs agri-environnementaux tels que le « couvert environnemental permanent » ou les « bandes enherbées » peuvent contribuer à piéger une partie des phosphates ruisselant à partir des champs afin qu'ils ne soient pas emportés par les cours d'eau. Le lagunage naturel peut aussi contribuer à mieux traiter les nitrates et le phosphore, éventuellement en traitement tertiaire en aval d'une station d'épuration « classique ».