Os fertilizantes podem aumentar muito o rendimento das lavouras, mas também podem causar poluição ambiental e prejudicar o equilíbrio dos nutrientes no solo. Escoamento excessivo de fertilizantes pode causar eutrofia em riachos e corpos d'água, criando tal superabundância de nutrientes que as algas e outros microorganismos espalham sem controle. O uso excessivo de fertilizantes também pode saturar a terra com produtos químicos inorgânicos que podem chegar ao lençol freático.
Muitos fertilizantes sintéticos dependem fortemente do petróleo, um recurso não renovável. Os subprodutos desses fertilizantes também podem escoar para córregos e rios, onde podem se decompor em substâncias nocivas e aumentar os níveis de amônia e metano. Um estudo de 2007 sobre salmões em rios perto de Portland, Oregon, encontrou dezenas de produtos químicos sintéticos nos tecidos e órgãos dos peixes.
Os fertilizantes orgânicos também podem ser perigosos se usados em excesso. A presença de muitos nutrientes no lençol freático estimula o crescimento de algas, que podem usar o oxigênio natural dos cursos de água. O esgotamento dos níveis de oxigênio pode matar peixes e animais selvagens, e algumas variedades de algas até mesmo liberam toxinas na água que podem ser prejudiciais aos humanos e animais maiores. Em agosto de 2014, uma proliferação de algas tóxicas diretamente sobre a fonte de água municipal de Toledo, Ohio, tornou o abastecimento de água da cidade inseguro para beber.
