主要不良反應是抑制骨髓造血機能。癥狀有二：
一為可逆的各類血細胞減少，其中粒細胞首先下降，這一反應與劑量和療程有關。一旦發現，應及時停藥，可以恢復；
二是不可逆的再生障礙性貧血，雖然少見，但死亡率高。此反應屬于變態反應與劑量療程無直接關系。可能與氯霉素抑制骨髓造血細胞內線粒體中的與細菌相同的70S核蛋白體有關。
為了防止造血系統的毒性反應，應避免濫用，應用時應勤查血象，氯霉素也可產生胃腸道反應和二重感染。此外，少數患者可出現皮疹及血管神經性水腫等過敏反應，但都比較輕微。新生兒與早產兒劑量過大可發生循環衰竭（灰嬰綜合征），這是由于他們的肝發育不全，排泄能力差，使氯霉素的代謝、解毒過程受限制，導致藥物在體內蓄積。因此，早產兒及出生兩周以下新生兒應避免使用。