热污染主要对全球或区域性自然环境热平衡产生影响，以及使大气和水体产生增温效应。但仍无法准确评估热污染造成的危害和潜在影响。
大气中二氧化碳、氟氯碳化物等温室气体的增加，使全球气温因“温室效应”不断升高。局部地区干旱、洪涝的频繁出现，暴雨、飓风、暖冬等异常气候现象的发生均与热污染有关。据世界卫生组织研究，由于气候变暖，每年直接造成16万人死亡。另外，大气升温必将对全球降水、生物种群分布和农业生产带来严重影响。
气候变暖将导致海平面上升和海水升温，使大片海岸低洼地带被淹没，海水表面与深水温差发生变化，还可能出现如厄尔尼诺等一系列海洋学家至今未完全弄清楚的极端现象。
水温升高可引起水的多种物理性质变化，其中最主要的是导致水中溶解氧的减少，使水质变坏。当淡水温度从10 ℃升至30 ℃时，溶解氧可从11mg/L。降至8mg/L左右。随着水温升高，水生生物的代谢和有机物的降解速度会不断加快，促进了溶解氧的消耗。同时，由于生物化学反应速率的提高，某些重金属和有毒物质的毒性得到加强，富集速度加快，加之溶解氧的减少，使鱼类的生存受到很大威胁。研究表明，温度每升高10 ℃。受害生物的存活时间减少约50%。
水温升高会增加水体中N、P的含量，加速水体富营养化。一些耐高温的蓝藻和绿藻等大量繁殖，进一步消耗了水中的溶解氧，导致鱼类无法生存。富营养化后的水体颜色昏暗、气味腥臭、味道异常，不但影响水的使用功能，且可使人畜中毒。水温升高还有利于致病微生物的滋生和大量繁殖，给人体健康带来危害。
在城市地区，由于人口集中，城市建设使大量的建筑物、混凝土代替了田野和植物，改变了地表反射率和蓄热能力，造成城区气温普遍高于周围郊区的现象，称为“热岛效应”。城区工业生产、交通运输和居民生活等排出的热量远远高于郊区农村，可形成温度高于周围地区1～6 ℃的现象。
在“热岛效应”的影响下，城市上空的云、雾会增加，使有害气体、烟尘在市区上空累积，形成严重的大气污染。另外在城市高温区，空气密度小，气压低，容易产生气旋式上升气流，使周围各种废气和化学有害气体不断对市区进行补充，从而加重市区大气污染程度。在“热岛效应”的作用下，城市高温区的居民极易患上消化系统或神经系统疾病，此外，支气管炎、肺气肿、哮喘、鼻窦炎、咽炎等呼吸道疾病人数也有所增多 。
