Gli effetti collaterali più importanti sono la depressione midollare (leucopenia, trombocitopenia, anemia) e la cardiotossicità (alterazioni del tracciato elettrocardiografico, aritmie, insufficienza cardiaca congestizia che può manifestarsi anche parecchio tempo dopo l'ultima somministrazione di doxorubicina).L'alopecia è l'effetto indesiderato più frequente (86%), ma è reversibile alla sospensione del trattamento. Dopo 5-10 giorni di terapia, si può osservare la comparsa di stomatite la cui frequenza e gravità sono maggiori quando il farmaco è somministrato per tre giorni consecutivi.Altri effetti: nausea, vomito, diarrea, vampate, congiuntivite, lacrimazione. Se la doxorubicina viene instillata nella vescica, possono comparire ematuria, bruciori vescicali e uretrali, disuria, stranguria e pollachiuria.Doxorubicina, che sotto questo aspetto condivide le proprietà di altri chinoni come ad esempio il paraquat, sembra poter produrre effetti embriotossici e teratogeni attraverso meccanismi non del tutto chiari, ma certamente indipendenti dal cosiddetto "ciclismo redox" cioè la proprietà di alcune molecole di sottoporsi ripetutamente a processi di riduzione ed ossidazione.