Η οξεία τοξικότητα της βενζοϊκό νάτριο είναι μικρό, και το μέγιστο μη-δράσης μέτρησης (MNL) των ζώων είναι 500mg/kg σωματικού βάρους. Αλλά μπορεί να μετατραπεί σε ένα πιο τοξικό βενζοϊκό οξύ στο ξινό περιβάλλον του ανθρώπινου εντέρου. Κατάποση του βενζοϊκού οξέος και των αλάτων νατρίου σε ποντίκια μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια βάρους, διάρροια, αιμορραγία, παράλυση και ακόμη και το θάνατο.
Η τοξικότητα του βενζοϊκού οξέος επιτυγχάνεται αλλάζοντας τη διαπερατότητα των κυτταρικών μεμβρανών, αναστέλλοντας την απορρόφηση των αμινοξέων των κυτταρικών μεμβρανών, και αναστέλλοντας τη δραστηριότητα των ενζύμων όπως η λιπάση μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Βενζοϊκό οξύ έχει καμία χρόνιας τοξικότητας. Τα αποτελέσματα από 8 συνεχόμενες εβδομάδες όξινη διατροφή σε αρουραίους έδειξαν καμία ανώμαλες αλλαγές στην ανάπτυξη, διάδοση και μορφολογία του απογόνους των ποντικών.
Άλλα πειράματα έδειξαν επίσης ότι το βενζοϊκό οξύ έχει όχι συγκεντρωτικά, τερατογόνο, καρκινογόνο, μεταλλαξιογόνο και αντιγόνο εφέ. Βενζοϊκό οξύ αποικοδομείται γρήγορα στα ζώα, βενζοϊκό οξύ (99%), κυρίως σε συνδυασμό με την γλυκίνη στη μορφή των ιπποειδών ουρικού οξέος, το υπόλοιπο με γλυκόζη και φορμαλδεΰδη σε συνδυασμό με μορφή 1-η πρώτη γλυκόζης ακεταλδεΰδη.