La sostanza è stata classificata come cancerogeno certo per l'uomo (gruppo 1) sulla base di evidenza inadeguata dagli studi sull'uomo ma un'evidenza forte sul meccanismo di azione sui soggetti esposti. La N-Nitrosonornicotine è cancerogena nei ratti, nel topo e nei criceti della specie Syrian golden. La somministrazione orale ha indotto carcinomi del tratto digestivo superiore, principalmente l'esofago, e delle cavità nasali nei ratti e tumori delle cavità nasali nei criceti. Nei criceti, l'iniezione sottocutanea produce tumori della trachea e nei ratti tumori delle cavità nasali. L'iniezione intraperitoneale nel topo ha indotto tumori del polmone e nel criceto tumori delle cavità nasali e della trachea.
Non sono tuttora disponibili studi epidemiologici sull'uomo. Alcuni rapporti evidenziano che i fumatori di tabacco sono esposti a N-Nitrosonornicotine insieme agli altri composti N-nitroso.