Il tallio è facilmente assorbito e si distribuisce rapidamente attraverso l'apparato circolatorio (già dopo 1 ora dall'esposizione) nelle cellule e nei tessuti di piante ed animali. Interferisce con il metabolismo cellulare, perché si sostituisce al potassio, un elemento essenziale per molte reazioni necessarie alla vita della cellula. Nel caso dei mammiferi, il tallio si distribuisce principalmente in ossa, reni, fegato e sistema nervoso. Inoltre, il tallio è in grado di attraversare la barriera emato-encefalica, quella placentare e delle gonadi.