急性毒性方面，四乙基铅的急性LD50值为12.3毫克/千克，经口给小鼠；而LC50值为850毫克/立方米，以大鼠吸入方式1小时内引发50%死亡。
亚急性和慢性毒性研究显示，大鼠每日灌胃0.00008毫克/千克，持续134至160天后，心肌、肾脏和脾脏出现变性坏死，伴随炎症和渗出增生。尤其在生殖毒性方面，给怀孕6至16天的大鼠口服最低中毒剂量为11毫克/千克，会导致胚胎毒性。
关于致癌性，尽管动物实验结果不明确，但四乙基铅可能具有致癌风险。如Epstem和Mcntc的试验中，对出生21天小鼠皮下注射0.6毫克四乙基铅后，观察到恶性淋巴癌显著增加，部分在注射后36至51周内出现。
在体内代谢和降解方面，四乙基铅在生物体内的稳定性较差，主要通过肺部吸收，且因其脂溶性，皮肤和粘膜吸收也较快。长期接触四乙基铅汽油，皮肤中毒风险增加，吸收的铅可通过血脑屏障进入大脑。环境中的四乙基铅经过光和热作用，逐步降解为三乙基铅，最终成无机铅。而四甲基铅的降解速度较慢，混合在汽油中的四乙基铅则更快被代谢。
四乙基铅中毒的症状与无机铅有区别，神经系统症状尤为突出，如头晕、头痛、失眠等，对造血器官影响较小，常见消化系统症状。重度中毒可引发精神亢奋、幻觉和痉挛，最终可能导致昏迷和衰竭。轻度中毒则可能出现头晕、恶梦、焦虑和多动等症状。
四乙基铅（tetraethyl lead）为略带水果香甜味的无色透明油状液体，约含铅64%。常温下极易挥发，即使0℃时也可产生大量蒸气，其比重较空气稍大。遇光可分解产生三乙基铅。有高度脂溶性，不溶于水，易溶于有机溶剂。急性四乙基铅中毒是以神经精神症状为主要临床表现的全身性疾病，重者可昏迷致死。多见于意外事故。