Uważa się, że niektóre plastikowe butelki są potencjalnie niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego, ponieważ zawierają substancje chemiczne, które mogą powodować problemy zdrowotne. Generalnie uważa się, że twarde tworzywa sztuczne oznaczone numerami 2, 4 lub 5 są bezpieczne, podczas gdy tworzywa sztuczne oznaczone numerami 1, 3 i 7 są uważane za potencjalnie niebezpieczne, zwłaszcza jeśli zostaną ponownie użyte. Ze względu na obawy dotyczące bezpieczeństwa plastikowych butelek niektórzy konsumenci wolą używać do napojów butelek metalowych lub szklanych.
Niepokojące jest kilka chemikaliów stosowanych w produkcji niektórych tworzyw sztucznych. Pierwszym z nich jest bisfenol-A (BPA), o którym wiadomo, że zaburza gospodarkę hormonalną, co oznacza, że powoduje zaburzenia równowagi hormonalnej. BPA jest powiązany z nowotworami u zwierząt laboratoryjnych i istnieją pewne obawy, że może również powodować nowotwory u ludzi. BPA jest szczególnie obecny w Lexanie, twardym plastiku, który nosi numer 7; Butelki Lexan były często sprzedawane jako przyjazna dla środowiska butelka na wodę o długim czasie użytkowania, zanim w pełni uświadomiono sobie ryzyko związane z BPA.
Inną substancją chemiczną budzącą obawy w plastikowych butelkach jest ftalan bis(2-etyloheksylu) (DEHP), substancja chemiczna stosowana jako plastyfikator. DEHP występuje w elastycznych tworzywach sztucznych o numerach takich jak 1 i 3; te tworzywa sztuczne są często przeznaczone do jednorazowego użytku i nie są przeznaczone do długotrwałego ponownego użycia. Uważa się również, że DEHP może powodować zaburzenia endokrynologiczne, aw niektórych badaniach powiązano go z otyłością. Inne chemikalia używane do produkcji tworzyw sztucznych mogą zawierać np. chlor, który na ogół nie jest korzystny dla zdrowia ludzkiego.
Substancje chemiczne obecne w plastikowych butelkach mogą przenikać do ich zawartości na wiele sposobów. Dłuższe regularne stosowanie może spowodować wypłukiwanie, które może zostać przyspieszone przez uszkodzenie butelki, narażenie na ciepło i środki czyszczące. Ponieważ chemikalia przedostają się do zawartości butelki, stanowią zagrożenie dla każdego, kto pije z butelki, który może nieświadomie spożyć te chemikalia. Dla osób, które używają wielu plastikowych butelek, długotrwałe narażenie poprzez wymywanie może prowadzić do problemów zdrowotnych w przyszłości.
Tworzywa sztuczne oznaczone „1” są przeznaczone do jednorazowego użytku, a następnie do recyklingu. Ogólnie uważa się, że takie tworzywa sztuczne są bezpieczne do jednorazowego użytku, co wyjaśnia, dlaczego są szeroko stosowane do pakowania napojów bezalkoholowych, ale niektórzy uważają, że nie powinny być ponownie używane. Ponowne użycie tych plastikowych butelek może narazić konsumentów na wymywanie i narażenie na DEHP.