Gli effetti collaterali sono simili a quelli della morfina, ma la pentazocina, a causa della sua azione sul recettore kappa degli oppioidi, ha maggiori probabilità di provocare effetti psicotomimetici con allucinazioni, incubi e deliri. A dose elevata può causare ipertensione o accelerazione del battito cardiaco. Se somministrato per via endovenosa dopo un infarto miocardico può aumentare il lavoro cardiaco. La depressione respiratoria è un effetto collaterale comune, ma è soggetta a un effetto massimo, tale che a una certa dose il grado di depressione respiratoria non aumenterà più all'aumentare della dose. Raramente provoca agranulocitosi, eritema multiforme e necrolisi epidermica tossica.