Cafein khi dùng với liều lượng nhiều gây ra các ảnh hưởng sau:

• Căng thẳng thần kinh
• Hưng phấn
• Tăng huyết áp
• Giãn nở phế quản
• Lợi tiểu (từ 300 mg/ngày trở lên)
• Kích thích nhu động ruột
• Mất ngủ

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) không xếp cafein vào nhóm các chất gây nghiện. Đến nay vẫn không có dấu hiệu gì rõ ràng chứng minh cafein nguy hại đến sức khoẻ, ngay cả những trường hợp sử dụng thường xuyên cafein trong thời gian dài. Tuy nhiên việc dùng cafein nhiều có thể dẫn tới sự phụ thuộc về tâm lý, trong trường hợp này mùi vị cà phê, khẩu vị người uống và truyền thống cũng đóng một vai trò quan trọng.

Sự phụ thuộc vào cafein có thể dẫn tới các biểu hiện như nhức đầu, căng thẳng, run rẩy, hồi hộp, thiếu tập trung, cáu giận. Cơ thể cần khoảng 3 ngày để loại bỏ cafein, sau thời gian này những tác dụng phụ trên sẽ hoàn toàn mất đi. Nếu dùng cafein với liều lượng cao có thể làm tăng nhịp tim và lợi tiểu. Tuy vậy, nếu uống những loại đồ uống chậm giải phóng cafein như guarana hay chè đen thì có thể hạn chế được các ảnh hưởng tiêu cực của cafein cũng như tận dụng được các tác dụng của nó.

Cafein có chứa trong sôcôla hay chè đen không hẳn là vô hại đối với trẻ em: ví dụ như lượng cafein có trong 3 lon cola và 3 thanh sôcôla cũng tương đương với lượng cafein trong 2 tách cà phê (khoảng 200 mg). Một đứa trẻ nặng 30 kg nếu dùng một liều lượng tương đương 7 mg/1 kg cơ thể có thể bị căng thẳng và mất ngủ.

Cafein có trong danh sách doping của Uỷ ban Thế vận hội Quốc tế (IOC). Tuy nhiên, hàm lượng tiếp thu vào trong người đủ để bị cấm là rất cao, vì vậy các vận động viên có thể uống cà phê trong bữa sáng.

Liều gây độc LD-50 của cafein (là lượng cafein có thể làm chết 50% dân số) khoảng 10 g, tương đương với 100 tách cà phê. LD-50 của cafein cho một con chuột cống nặng 1 kg là 381 mg.

Được biết rằng, nước bưởi có khả năng kéo dài thời gian bán huỷ của cafein, bởi chất đắng trong quả bưởi sẽ kìm hãm quá trình trao đổi chất của cafein trong gan.