Oltre all’effetto analgesico, il fentanil è in grado di produrre sonnolenza ed euforia, anche se l'effetto euforizzante è meno pronunciato rispetto a quello prodotto dall’eroina e dalla morfina.

Gli effetti collaterali principali includono nausea, vertigini, emesi, fatica, cefalea, costipazione, anemia ed edemi periferici.

Dopo un uso ripetuto di Fentanil, si sviluppano velocemente tolleranza e dipendenza. Quando ne viene interrotto l’uso, si manifestano i sintomi caratteristici dell’astinenza, quali sudorazione, ansia, diarrea, dolori ossei, crampi addominali, brividi, pelle d'oca.