Gli eventi avversi più spesso osservati dopo la somministrazione del farmaco sono di natura gastrointestinale (nausea, vomito, diarrea e ulcerazioni orali. Tra gli effetti indesiderati più gravi del trattamento si devono invece registrare una insufficienza midollare correlata alla dose utilizzata (anemia, leucopenia e trombocitopenia) e talvolta un'aplasia midollare irreversibile, una forma di ostruzione delle vene epatiche (malattia epatica veno-occlusiva), e la tendenza a sviluppare gravi infezioni sistemiche e sepsi. Comuni e spesso gravi sono anche i disturbi respiratori e in particolare una forma di sindrome polmonare idiopatica, cioè una polmonite diffusa di origine non-infettiva, che tende a presentarsi entro tre mesi dalla fase di condizionamento con busulfan, prima dell'esecuzione di un trapianto di midollo osseo allogenico o autologo; la biopsia polmonare eseguita su questi soggetti mostra una forma di malattia polmonare interstiziale con evoluzione verso la fibrosi.