Les engrais peuvent augmenter considérablement les rendements des cultures, mais ils peuvent également provoquer une pollution de l'environnement et endommager l'équilibre des nutriments dans le sol. Un ruissellement excessif d'engrais peut provoquer une eutrophie dans les cours d'eau et les plans d'eau, créant un tel surabondance de nutriments que les algues et autres micro-organismes répandent de manière incontrôlable. La surutilisation d'engrais peut également saturer la terre avec des produits chimiques inorganiques qui peuvent se frayer un chemin dans la nappe phréatique.
De nombreux engrais synthétiques dépendent fortement du pétrole, une ressource non renouvelable. Les sous-produits de ces engrais peuvent également s'écouler dans les ruisseaux et les rivières, où ils peuvent se décomposer en substances nocives et augmenter les niveaux d'ammoniac et de méthane. Une étude de 2007 sur le saumon dans les rivières près de Portland, dans l'Oregon, a trouvé des dizaines de produits chimiques synthétiques dans les tissus et les organes du poisson.
Les engrais organiques peuvent également être dangereux s'ils sont trop utilisés. La présence d'une trop grande quantité de nutriments dans la nappe phréatique favorise la croissance d'algues, qui peuvent épuiser l'oxygène naturel des cours d'eau. L'épuisement des niveaux d'oxygène peut tuer les poissons et la faune, et certaines variétés d'algues libèrent même des toxines dans l'eau qui peuvent être nocives pour les humains et les grands animaux. En août 2014, une prolifération d'algues toxiques directement au-dessus de la prise d'eau municipale de Toledo, dans l'Ohio, a rendu l'approvisionnement en eau de toute la ville impropre à la consommation.
