Khai thác đá phiến dầu gây ra một số tác động môi trường, đặc biệt là khai thác lộ thiên sẽ tác động nhiều hơn khi khai thác hầm lò. Các yếu tố tác động như nước axít mỏ, các kim loại cuốn theo dòng nước mặt và nước dưới đất, tăng xói mòn, phát thải khí lưu huỳnh, và ô nhiễm không khí từ các nhà máy xử lý, khâu vận chuyển và các hoạt động hỗ trợ khác trong khai thác và chế biến.[9][10]Năm 2002, ngành công nghiệp năng lượng ở Estonia sử dụng đá phiến dầu làm nguồn nguyên liệu chính phát thải khí là nguyên nhân cho 97% ô nhiễm không khí, 86% ô nhiễm chất thải và 23% ô nhiễm nước.[72]

Khai thác đá phiến dầu có thể phá hủy giá trị của đất về mặt sinh học và giải trí, và hệ sinh thái trong khu vực khai thác mỏ. Các quá trình đốt và tạo nhiệt phát sinh ra nhiều chất thải rắn và thải vào khí quyển các chất khí như điôxít cacbon, khí nhà kính. Các nhà môi trường học phản đối sản xuất và sử dụng đá phiến dầu vì nó tạo ra thậm chí là nhiều khí nhà kính hơn các nguyên liệu hóa thạch thông thường.[73]Trong điều 526 của Đạo luật Độc lập và An ninh Năng lượng (Energy Independence And Security Act) cấm các cơ quan Chính phủ Hoa Kỳ mua dầu được sản xuất từ các quá trình xử lý mà việc phát thải khí nhà kính nhiều hơn so với dầu mỏ thông thường.[74][75]Các quá trình biến đổi dầu tại hiện trường mang tính thử nghiệm và các công nghệ hấp thụ và chứa cacbon có thể làm giảm thiểu những lo lắng này trong tương lai nhưng cùng lúc nó có thể gây ra những vấn đề môi trường khác như ô nhiễm nước dưới đất.[76]

Một số nhà phê bình thì nhấn mạnh đến việc sử dụng nước trong ngành công nghiệp đá phiến dầu. Ví dụ, năm 2002, công nghiệp năng lượng đốt đá phiến dầu ở Estonia sử dụng 91% tổng lượng nước tiêu thụ của nước này.[72] Tùy thuộc vào công nghệ, đối với chưng cất đá phiến dầu trên mặt đất sử dụng từ 1 đến 5 thùng nước để sản xuất ra 1 thùng dầu.[43][77][78][79][80] Năm 2007 bản báo cáo hiện trạng tác động môi trường được Cục địa chính Hoa Kỳ phát hành chỉ ra rằng các hoạt động khai thác mỏ lộ thiên và lọc dầu tạo ra từ 8–38 lít nước thải trên mỗi tấn đá phiến dầu được xử lý.[77] Theo một đánh giá, quá trình xử lý tại hiện trường sử dụng khoảng 1/10 lượng nước như trên.[81]

Mối quan tâm về nước trở thành vấn đề đặc biệt nhạy cảm đối với các khu vực khô cằn như miền tây Hoa Kỳ và sa mạc Negev của Israel, vì nơi này các dự án có từ trước mở rộng chiết tách dầu bất chấp sự cạn kiệt nguồn nước.[82]

Các nhà hoạt động môi trường, bao gồm các thành viên của tổ chức Hòa bình xanh đã tổ chức các cuộc phản đối mạnh mẽ đối với ngành công nghiệp đá phiến dầu. Một trong những kết quả đạt được là công ty Tài nguyên Năng lượng Queensland (Queensland Energy Resources) buộc phải dừng dự án đá phiến dầu Stuart (Stuart Oil Shale Project) ở Úc trong năm 2004.[9][83][84][85]