Forskare har funnit att två typer av kemikalier som kallas neonikotinoider och kumafos stör insektens förmåga att lära sig och minnas.
Experiment visade att exponeringen också minskade hjärnaktiviteten, särskilt när de två bekämpningsmedelen användes i kombination.
Forskningen är detaljerad i två artiklar i Nature Communications och Journal of Experimental Biology.
Men ett företag som tillverkar ämnena nämnda laboratoriebaserade studier gällde inte alltid bin i vilt tillstånd.
En annan rapport, publicerad av Defra's Food and Environment Research Agency (Fera), drog slutsatsen att det inte fanns något samband mellan bihälsa och exponering för neonikotinoider.
Regeringen genomförde en undersökning där man undersökte humlor som levde på kanterna på fält som behandlats med kemikalierna.
Fallande tal
Honungsbin världen över står inför en osäker framtid.
De har drabbats av en mängd sjukdomar, förlust av livsmiljöer, och i USA har den mystiska Colony Collapse-störningen fått antalet att sjunka.
Nu frågar forskarna om bekämpningsmedel också spelar en roll i deras nedgång.
Forskarna undersökte två vanliga bekämpningsmedel: neonikotinoider, som används för att bekämpa skadedjur på raps och andra grödor, och en grupp organiska fosfatkemikalier som kallas kumafos, som används för att döda varroakvalster, en parasit som angriper honungsbiet.
Neonicotinoider används oftare i Europa, medan kumafos oftare används i USA.
Arbetet som utfördes av University of Dundee i Skottland visade att om bekämpningsmedel applicerades direkt på pollinatörernas hjärnor, så orsakade de en förlust av hjärnaktivitet.
Dr Christopher Connolly sade: "Vi fann neonikotinoider orsaka en omedelbar hyperaktivering - så en epileptisk typ aktivitet - detta skedde genom neuronal inaktivering, där hjärnan går tyst och inte kan kommunicera längre.  Samma effekter uppstår när vi använder organofosfater.
"Och om vi använde dem tillsammans, effekten var additiv, så de tillade toxicitet: effekten var större när båda var närvarande."
En annan serie laboratoriebaserade experiment, utförda vid Newcastle University, undersökte binas beteende.
Forskarna där fann att bin som exponerats för båda bekämpningsmedel inte kunde lära sig och sedan minnas blomdofter förknippade med en söt nektar belöning - en färdighet som är nödvändig för bin i jakten på mat.
Dr Sally Williamson sade: "Det skulle innebära att bina kan födosöka mindre effektivt, de är mindre kapabla att hitta och lära sig och komma ihåg och sedan kommunicera med sina kupor vad de goda källorna till pollen och nektar är."
"Inget hot"
Hon sade att företag som tillverkar bekämpningsmedel bör ta hänsyn till dessa resultat när man överväger kemikaliernas säkerhet.
Hon förklarade: " För närvarande ger de första testerna för bitoxicitet bina en akut dos och tittar sedan på dem för att se om de dör.
"Men eftersom bin gör dessa komplexa inlärningsuppgifter, de är mycket sociala djur och de har en komplex beteenderepertoar, de behöver inte dödas direkt för att inte påverkas."
Europeiska kommissionen efterlyste nyligen ett tillfälligt moratorium för användningen av neonikotinoider efter en rapport från Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet, där man konstaterade att de utgjorde en stor akut risk för pollinatörer.
Men 14 av de 27 EU-länderna - däribland Storbritannien och Tyskland - motsatte sig förbudet, och förslaget har nu försenats.
Ian Boyd, chefsforskare vid Defra, sade: "Beslut om användning av neonikotinoider måste baseras på sunda vetenskapliga bevis."
Han sade att resultaten av Fera bumblebee-studien tydde på att effektens omfattning kanske inte var så stor som vissa studier hade föreslagit - och efterlyste "ytterligare data som bygger på mer realistiska fältförsök krävs".
Dr Julian Little, kommunikations- och regeringschef på Bayer Crop Science Limited, som gör några av de bekämpningsmedel, sade resultaten av laboratoriebaserade studier bör inte automatiskt extrapoleras till fältet.
"Om du tar ett insektsmedel och ger det direkt till en insekt, kan jag garantera att du kommer att ha en effekt - jag är inte alls förvånad över att detta är vad du kommer att se", förklarade han.
"Det som verkligen är viktigt är att se vad som händer i verkliga situationer - i verkliga fält, i verkliga bikolonier, i verkliga bikupor, med riktiga bihållare."
Vanligen använda bekämpningsmedel skadar honung bi hjärnor, studier tyder på.