Analizy chemiczne dowodzą, że w tytoniu i dymie tytoniowym znajdują się co najmniej 4 tysiące substancji chemicznych, z pośród których ponad 40 zostało zidentyfikowanych jako substancje o działaniu rakotwórczym u ludzi. Choć dym tytoniowy wchłania się do organizmu przede wszystkim przez układ oddechowy, to jego składniki, w tym substancje rakotwórcze, krążą w krwiobiegu, docierając właściwie do wszystkich narządów. Substancje te wydalane są nie tylko z powietrzem, ale także z kałem i moczem, osadzając się m.in. w nerkach i pęcherzu moczowym.

Do najgroźniejszych substancji rakotwórczych zawartych w tytoniu lub dymie tytoniowym należą: wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, specyficzne dla tytoniu N-nitrozoaminy (NNN, NNK, NNAL), aminy aromatyczne, aldehydy, benzen oraz inne organiczne i nieorganiczne związki rakotwórcze, w tym metale ciężkie (także promieniotwórcze, takie jak polon-210, kadm czy ołów). Wiele z nich posiada potencjał inicjowania procesu nowotworowego, inne promują ten proces, a jeszcze inne działają kokancerogennie, czyli współuczestniczą w zwiększaniu ryzyka zachorowania, także z innymi substancjami rakotwórczymi obecnymi w środowisku człowieka. Z ostatnich badań wynika, że osoby eksponowane na działanie amin aromatycznych w miejscu pracy, które jednocześnie palą tytoń (jest to najgroźniejszy czynnik ryzyka zachorowania na raka pęcherza moczowego), narażone są na znacznie większe ryzyko zachorowania niż osoby eksponowane tylko na jeden z tych czynników. Podobne interakcje z paleniem tytoniu obserwowano w odniesieniu do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych oraz ekspozycji na spaliny silników diesla.

Substancje smoliste, powstające w wyniku spalania papierosa, zawierają największe spektrum rakotwórczych związków chemicznych i są uznawane za kancerogeny klasy A. We frakcji substancji smolistych znajduje się 11 wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, z których każdy może zainicjować proces nowotwory.