Toksyczne działanie nadmiaru wchłoniętych jonów żelaza polega na blokowaniu enzymów metabolizujących kwasy organiczne, co zwiększa stężenie kwasu cytrynowego i mlekowego (kwasica metaboliczna). Jony żelaza mają też bezpośrednie działanie uszkadzające na śluzówkę przewodu pokarmowego, prowadząc do powstawania owrzodzeń i masywnych krwawień.

Podstawowym objawem zatrucia żelazem jest ostry nieżyt żołądkowo-jelitowy (nudności, wymioty, uporczywa biegunka), szybko doprowadzające do zaburzeń wodno-elektrolitowych i wstrząsu.

Zaburzenia metaboliczne powodują senność, zaburzenia neurologiczne i drgawki oraz zaburzenia oddychania. Masywne zatrucie może prowadzić do zgonu na skutek niewydolności krążeniowo-oddechowej nawet w ciągu 4-6 godzin od spożycia dawki toksycznej.

Za dawkę śmiertelną uważa się u dzieci dawkę 3-10 gramów żelaza elementarnego, ale niebezpieczne powikłania mogą wystąpić już przy spożyciu dawki 30-40 mg żelaza na kg masy ciała. Tak więc przykładowo dla dziecka ważącego 10 kg dawką niebezpieczną może być już 30-40 mililitrów preparatu żelaza w syropie (w zależności od rodzaju preparatu syrop zawiera średnio 5-10 mg żelaza w 1 mililitrze).