Dym tytoniowy i papierosowy, podobnie jak dym pochodzący z innych źródeł, jest aerozolem, na który składa się faza cząsteczkowa i faza gazowa. W żarzącym się papierosie na skutek gradientu temperatury ma miejsce stan pewnej fizykochemicznej równowagi dynamicznej między fazami: gazową i stałą, a fazą, która w normalnych warunkach jest fazą ciekłą. Dlatego określa się ją jako fazę stało-ciekłą i ciekło-gazową. Dla uproszczenia można posłużyć się pojęciami: faza gazowa, faza cząsteczkowa - obie powstają w strefie żarzenia się wałka tytoniowego, której temperatura osiąga 900° Celsjusza.

Skład chemiczny dymu tytoniowego zależy m.in. od:
- rodzaju tytoniu (nie tylko jego gatunku, odmiany i jakości, lecz także długości oraz szerokości włókna krajanki tytoniowej);
- temperatury żarzenia (co ma największy wpływ na skład chemiczny dymu. Wzrost temperatury powoduje na ogół zwiększenie emisji substancji szkodliwych),
- typu papierosa (z ustnikiem, czy bez, gruby, czy cienki, zawierający bibułę barwioną, bądź nie. Na liczbę i skład chemiczny generowanych cząsteczek istotny wpływ ma rodzaj opakowania tzw. wałka tytoniowego papierosa. Użycie przepuszczalnych dla powietrza bibułek i filtrów może powodować obniżenie ilości emitowanych szkodliwych substancji.),
- sposobu zaciągania się (podczas szybkiego i głębokiego - tzw. nerwowego zaciągania się temperatura ognika przekracza nawet 900° Celsjusza. Temperatura strefy żarzenia tytoniu w fajce osiąga niewiele ponad 600° Celsjusza),
- wilgotności (suche papierosy emitują co najmniej dwa razy więcej nikotyny niż wilgotne!),
dodatków chemicznych do tytoniu.

Przy założeniu, że przeciętnie palacz tytoniu wchłania z papierosa 500 mg dymu, to wagowo 70% tej ilości stanowi azot i tlen. Pozostałe 30% to w olbrzymiej większości substancje nieobojętne biologicznie, z czego 22% stanowią: tlenek węgla, tlenek azotu, cyjanowodór, akroleina, natomiast pozostałe 8% to faza cząsteczkowa złożona z ponad 2300 zidentyfikowanych dotychczas związków chemicznych.

W celu wychwycenia i oznaczenia składników dymu tytoniowego, a także w celu unifikacji metod badawczych skonstruowano specjalne aparaty spalające papierosy i inne wyroby tytoniowe (cygara, cygaretki) w sposób imitujący zachowanie przeciętnego palacza. Dym z tzw. strumienia głównego (dym wciągany ustami palacza) przechodzi przez specjalny gęsty filtr z włókna szklanego, który jest w stanie wychwycić niemal całą fazę cząsteczkową, którą stanowią cząsteczki substancji nielotnych lub półlotnych. Cały dym tytoniowy, a szczególnie faza cząsteczkowa, jest niezwykle labilny. W bardzo krótkim czasie aerozol zmienia swoje właściwości chemiczne na skutek koagulacji mniejszych cząsteczek w większe, kondensacji z parą wodną, reakcji chemicznej między wolnymi rodnikami poszczególnych cząsteczek. Szybko zwiększające się wymiary cząsteczek istotnie wpływają na sposób ich osadzania w niedopałku, filtrze, a także błonach wyściełających drogi oddechowe. W miarę wzrostu rozmiaru cząsteczki zachodzi większe prawdopodobieństwo osadzania się jej na materiale filtracyjnym lub błonach górnych dróg oddechowych. Największe prawdopodobieństwo wydostania się wraz z wydechem mają cząsteczki najmniejsze. Osadzone na filtrze z włókna szklanego substancje, po odjęciu wody i nikotyny stanowią tzw. suchy kondensat dymu tytoniowego, nazywany smołą. Przechodząca przez filtr faza gazowa również może być kierowana do aparatów i urządzeń określających zawartość w dymie takich gazów jak: tlenek węgla, cyjanowodór, czy akroleina.  
W zależności od sposobu oddziaływania na organizm substancji szkodliwych zawartych w dymie tytoniowym, przyjął się podział na:

• substancje toksyczne - np.: tlenek węgla, cyjanowodór, amoniak, tlenki azotu;
• substancje drażniące - np.: akroleina, tlenek siarki, amoniak, formaldehyd;
• substancje ciliotoksyczne (blokujące aktywność szeregu enzymów oddechowych, a także ruch rzęsek wyściełających drogi oddechowe) - np.: cyjanowodór, akroleina, aldehyd octowy, formaldehyd;
• kokancerogeny (substancje nie mające właściwości rakotwórczych, lecz wzmacniające ten proces w przypadku wystąpienia śladowych ilości właściwych kancerogenów) - np.: formaldehyd, piren, fluoranten, naftaleny, katechol;
• kancerogeny (substancje bezpośrednio rakotwórcze) - np.: benzen, dwumetylonitrozoamina, etylometylonitrozoamina, dwuetylonitrozoamina, nitrozopirolidyna, hydrazyna, chlorek winylu;
• inicjatory nowotworów (substancje odpowiedzialne za proces powstawania uśpionych ognisk w materiale genetycznym poszczególnych komórek) - np.: toluen, fenol, uretan.

W procesie kancerogenezy biorą udział kancerogeny, kokancerogeny i inicjatory nowotworów. Aby proces ten mógł zaistnieć, związki rakotwórcze muszą przejść odpowiednie przemiany chemiczne w organizmie. Dopiero wtedy kancerogeny są zdolne do reakcji z makrocząsteczkami RNA i DNA zapoczątkowując skomplikowany proces rakowacenia tkanek.

TOKSYCZNE SKŁADNIKI DYMU TYTONIOWEGO:

1. ALKALOIDY:
nikotyna - (C10H14N2) z farmakologicznego punktu widzenia jest najbardziej czynnym składnikiem dymu tytoniowego. Stanowi ok. 97% wszystkich alkaloidów tytoniu, a jej zawartość w dymie polskich papierosów waha się od 1 do 2 mg na papieros;
nikoteina - stanowi ok. 2% wszystkich alkaloidów tytoniu;
nikotamina - stanowi 0,5% wszystkich alkaloidów tytoniu;
nikotelina;
anabazyna;
anatabina;
nikotyryna;
kotinina - metabolit nikotyny.

2. SKŁADNIKI FAZY GAZOWEJ:

tlenek węgla - dym tytoniowy zawiera od 1 do 5% CO i jest uważany za jeden z bardziej niebezpiecznych czynników. Wielkie powinowactwo CO do hemoglobiny krwi powoduje powstanie karboksyhemoglobiny (COHb), co w dużym stopniu obniża skuteczność systemu krwionośnego jako nośnika tlenu. U nałogowych palaczy stężenie COHb we krwi dochodzi do 15%, co może prowadzić do niedotlenienia wielu tkanek i narządów wrażliwych na brak tlenu (serce, CUN - centralny układ nerwowy);

tlenki azotu - powstają z azotanu obecnego w surowym tytoniu w trakcie jego spalania. Tlenek azotu (NO) jest szybko metabolizowany w żywym organizmie, jest wolnym rodnikiem - zawiera niesparowany elektron, natomiast dwutlenek azotu (NO2 lub N2O4) jest trującym gazem, po dostaniu się do płuc uszkadza błony wyściełające drogi oddechowe. Aż 99% dwutlenku azotu zatrzymywane jest w płucach. W połączeniu z aminami, tlenki azotu są źródłem rakotwórczych nitrozoamin.

cyjanowodór - (HCN - związek wodoru, węgla i azotu), czyli kwas pruski. Źródłem w dymie są białka i aminokwasy liści tytoniowych. Jest czynnikiem bardzo toksycznym, łatwo wchłanianym przez śluzówkę i skórę. Blokuje aktywność szeregu enzymów oddechowych, a także ruch rzęsek wyściełających drogi oddechowe, czyli wykazuje działanie ciliotoksyczne.
akroleina - (aldehyd akrylowy CH2=CH-CHO), czyli propenal o właściwościach szczególnie drażniących. Wraz z aldehydem octowym, formaldehydem i cyjanowodorem stanowi skuteczny czynnik ciliotoksyczny,

amoniak - (NH3, bezbarwny gaz o ostrym, charakterystycznym zapachu), pochodzi głównie z białek i azotanów liści tytoniowych. Drażni nieprzyjemnie receptory górnych i dolnych dróg oddechowych i razem z akroleiną jest uznany za wyznacznik smakowego odczucia ostrości dymu tytoniowego.

3. SKŁADNIKI FAZY CZĄSTECZKOWEJ czyli tzw. SUBSTANCJE SMOLISTE obejmujące związki chemiczne należące do:

• węglowodorów alifatycznych,
• węglowodorów aromatycznych (klasyczne kancerogeny: benzo/a/piren, dwubenzo/a,h/antracen),
• fenoli i ich estrów - np. fenol (C6H5OH, hydroksybenzen, o charakterystycznym ostrym zapachu, trujący), katechol;
• kwasów, aldehydów - np. akroleina (najprostszy aldehyd alifatyczny nienasycony, ma ostry duszący zapach, działa drażniąco na oczy, jest trucizną wykorzystywaną do produkcji bojowych środków trujących).
• ketonów;
• alkoholi,
• estrów alifatycznych,
• związków azotu i siarki - np. tlenki azotu.

Faza cząsteczkowa tworzy się w procesie termicznym w czasie spalania tytoniu. Na proces ten składają się reakcje i zjawiska fizykochemiczne:
piroliza - proces degradacji cząsteczki pod wpływem dostatecznie wysokiej temperatury,
pirosynteza - reakcja chemiczna, w której powstaje związek chemiczny z substancji prostszych na drodze pirolizy,
utlenianie - oksydacja, procesy chemiczne przebiegające z oddaniem elektronów przez atom lub jon, tzn. ze wzrostem wartościowości dodatniej lub zmniejszeniem wartościowości ujemnej pierwiastka,
redukcja - procesy chemiczne przebiegające z pobraniem elektronów przez atom lub jon, tzn. ze zmniejszeniem wartościowości dodatniej lub wzrostem wartościowości ujemnej pierwiastka,
destylacja - metoda rozdzielania i oczyszczania ciekłych związków chemicznych,
sublimacja - parowanie substancji stałych,
dekarboksylacja - wyeliminowanie grupy karboksylowej z cząsteczki,
dehydratacja - odebranie wody lub wodoru i tlenu w stosunku atomowym 2:1 ze związku chemicznego.

ORGANOSPECYFICZNE KANCEROGENY FAZY CZĄSTECZKOWEJ DYMU TYTONIOWEGO:

• N-Nitrozonornikotyna, nitrozopiperydyna, nitrozopirolidyna - powodujące raka przełyku;
• Polon-210 (radioaktywny!), 
• związki niklu, 
• związki kadmu - powodujące raka płuc;
• Nitrozoaminy powodujące raka trzustki;  
• B-naftyloamina, 
• x-aminofluoren,
•  x-aminostylben,
•  o-toluidyna,
• n-nitrotoluen, 
• di-n-butylonitrozoamina powodujące raka nerek i pęcherza moczowego.
  Rak przełyku, płuc, trzustki, nerek i pęcherza moczowego to najczęstsze nowotwory odtytoniowe.