A toxicidade aguda do benzoato de sódio é baixa, e a dose máxima sem efeito (DMSE) em animais é de 500 mg/kg de peso corporal. No entanto, ele pode ser convertido em ácido benzoico, altamente tóxico, no ambiente ácido do trato intestinal humano. A ingestão de ácido benzoico e seu sal de sódio em camundongos pode causar perda de peso, diarreia, sangramento, paralisia e até mesmo a morte. A toxicidade do ácido benzoico ocorre pela alteração da permeabilidade da membrana celular, inibindo a absorção de aminoácidos pela membrana celular e inibindo a atividade de enzimas como a lipase através da membrana celular, dificultando assim a síntese de ATP.