大氣汙染可以傷害植物的細胞和細胞器。細胞的膜係統在大氣汙染的作用下，差別透性被破壞，引起水分子和離子平衡失調，造成代謝紊亂。破壞嚴重時，細胞內分隔作用消失，細胞器崩潰，導致最後死亡。其中膜類脂是汙染物的一個主要作用點。例如，O3能使膜類脂發生過氧化，幹擾它的生物合成；SO2的傷害作用也與膜類脂的過氧化過程有關；葉綠體的膜結構也是在O3和SO2的聯合作用下被破壞的。
大氣汙染還能對植物體內的酶係統產生影響。大氣汙染物通過對植物酶係統的作用進而影響其生化反應，從而導致原有正常代謝平衡的破壞。例如，氟化物是多種酶的抑製劑，對糖醇降解途徑中的一個重要成分烯醇化酶的抑製作用特別顯著；又如O3和過氧乙酰硝酸酯是強氧化劑，能使許多酶蛋白質中的巰基被氧化而失去活性。
大氣汙染對植物組織、器官的危害主要表現為組織壞死和器官脫落。植物遭受大氣汙染物急性傷害的症狀是葉麵點、片傷斑和葉組織壞死；而各種汙染物對葉片的傷害往往各有特殊的症狀，這便成為大氣汙染“傷害診斷”的主要依據。植物接觸SO2、O3等大氣汙染物以後，體內還常常產生應激乙烯或傷害乙烯，這是造成葉、蕾、花、果實等器官脫落的主要原因。
大氣汙染還影響植物的個體發育和群落發展。大氣汙染使得植物個體生長減慢、發育受阻、失綠黃化、早衰等，有時還會引起異常的生長反應。急性傷害發生時，葉麵部分壞死或脫落，光合麵積減少，植株生長減慢，產量下降；慢性傷害發生時，植物代謝失調，生理過程如光合作用、呼吸作用等不能正常進行，引起生長發育受阻。在大氣汙染物的長期作用下，一些敏感的植物種群將會減少甚至消亡；而另一些抗性較強的種群則會保存下來，甚至能得到一定的發展。
特別是SO2汙染對植物的影響是非常大的。硫是植物發育的必需元素，空氣中少量的SO2經葉片吸收後可進入植物的硫代謝中。在土壤缺硫條件下，大氣中含少量SO2對植物生長有利。SO2經過氣孔進入葉組織後，溶於浸潤細胞壁的水分中，產生SO2－3或HSO－3，然後被細胞氧化成SO2－4。SO2－4的毒性遠比SO2－3或HSO－3小，而且可被植物作為硫源利用。所以這種氧化過程被認為是解毒過程。如果SO2進入的速度超過了細胞對它的氧化速度，SO2－3或HSO－3積累起來，便會引起急性傷害。在繼續不斷地吸收並氧化SO2－3的情況下，SO2－4的積累量超過了細胞耐受程度，就會造成慢性傷害。
典型的SO2傷害症狀出現在植物葉片的葉脈間，呈不規則的點狀、條狀或塊狀壞死區。壞死區和健康組織之間的界限比較分明，壞死區顏色以灰白色和黃褐色居多。有些植物葉片的壞死區在葉子邊緣或前端。同一植株上，剛剛完成伸展的嫩葉最易受傷害，中齡葉次之，老葉和未伸展的嫩葉抗性較強。
氟化物汙染的危害也很大。大氣中氟汙染物主要是氟化氫（HF）。它是一種強酸，故對植物產生酸型燒灼狀傷害。F－是烯醇化酶的強烈抑製劑，可使糖酵解受到抑製；F－還能夠抑製同纖維素合成有關的葡萄糖磷酸變位酶的活性。氟元素在植物組織內還能與金屬離子如鈣、鎂、銅、鋅、鐵或鋁等結合，容易引起這些元素的缺乏症，如缺鈣症等。氟化物的排放量和汙染範圍比SO2小得多，但對植物的毒性卻更強。當空氣中含ppb級濃度HF時，接觸幾個星期可使敏感植物受害。氟是積累性毒物，植物葉子能繼續不斷地吸收空氣中極微量的氟，吸收的F－隨蒸騰流轉移至葉尖和葉緣，在那裏積累至一定濃度後就會使組織壞死。
植物受氟害的典型症狀是葉尖和葉緣壞死，傷區與非傷區之間常有一條紅色或深褐色界線。氟化物汙染最容易危害正在伸展中的幼嫩葉子，使之出現枝梢頂端枯死現象。此外，氟傷害還常伴有失綠和過早落葉現象，使生長受抑製，對結實過程也有不良影響。實驗表明，氟化物對花粉粒發芽和花粉管伸長有抑製作用。氟汙染使成熟前的桃、杏等果實在沿縫合線處的果肉過早成熟軟化，降低果實質量。