柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有CO2、CO、H2、NOx、SO2、HC、氧化物，有机氮化物及含硫混合物等；液态污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等；固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐，以及多环芳烃(PAH)和醛等碳氢化合物。
上述污染物中，最主要的是CO、HC、NOx以及固体微粒(PM)。CO是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体；HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物；NOx是NO2与NO的总称，它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮气燃烧产物，NO在空气中即被氧化成NO2，NO2呈红褐色并有强烈气味；PM是所排气体中可见污染物，它是由柴油燃烧中裂解的碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒，也就是我们常见的由排气管冒出的黑烟。相对汽油机而言，柴油机的CO和HC排放量较少，主要排放的污染物是NOx和PM。
CO通过呼吸道进入人体后，会同血红蛋白结合，破坏血液中的氧交换机制，使人缺氧而损害中枢神经，引起头痛、呕吐、昏迷和痴呆等后果，严重时会造成CO中毒。
HC中含有许多致癌物质，长期接触会诱发肺癌、胃癌和皮肤癌。
NO2刺激人眼黏膜，引起结膜炎、角膜炎，吸入肺脏还会引起肺炎和肺水肿。
HC和NOx在阳光强烈时的紫外线照射下，会产生光化学烟雾，使人呼吸困难、植物枯黄落叶、加速橡胶制品与建筑物的老化。
PM被吸入人体后会引起气喘、支气管炎及肺气肿等慢性病；在碳烟微粒上吸附的PAH等有机物，更是极有害的致癌物。
柴油机的排放标准
为了控制废弃污染，许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术政策，以及控制排放污染物限制的技术监督标准。欧盟柴油机稳态试验(试验程序ESC)时的排放标准如附表所示。
我国已于2000年实施了“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法(GB17691-1999)”、“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆可见污染物限制及测试方法(GB3847-1999)”等排放标准。这些强制性的国家标准等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)有关汽车排放控制的全部技术内容，这意味着我国对新车的排放要求已达到欧洲90年代初期水平，比旧有的国家标准更加严格了。
随着中国环境保护和大气治理工作的不断深入，在严格控制汽车尾气污染的同时，非公路用机动设备如工程机械和施工机械的尾气排放也越来越引起人们的重视。非公路用机动设备是各种工程机械设备、工程车辆、舰船和发电机组的总称。它包括户外动力设备、娱乐车辆、农业机械与工程机械、园林机械、水上舰船、机车、航空（天）飞行器等。它们所使用的发动机称之为非公路发动机，类型有压燃式发动机（CI，即柴油机）和火花点火发动机（SI，即汽油机），每年排放的氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM）等有害物质的总量几乎相当于公路用车辆发动机的年排放总量（以美国为例）。由于柴油发动机具有很高的热效率，因而被广泛使用。非公路柴油机是非公路发动机市场的主体，主要用于农业机械（如拖拉机）、工程机械（如挖掘机、装载机、推土机）、物料搬运机械（如叉车）和多用途设备（如发电机组、抽水机）等。在非公路柴油机排放中，NOx和PM的排放量最为严重，分别约占NOx和PM排放总量的20%和36%。而在柴油机的排放成分中，除99.7%（75.7%的N2、10%的CO2、8%的水蒸气和6%的O2）对人类无害外，其余0.3%（0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC、0.05%的CO、0.01%的SO2和小于0.01%的PM）都是有害物质，它是形成酸雨和破坏臭氧层的罪魁祸首。随着人类对环境的日益重视，消除柴油机的尾气污染也成了大家所关注的重大话题。因此，发达国家已将柴油机污染排放作为环境治理的重要内容之一，并制定了相应的公路用机动设备控制排放标准。
柴油机排放的污染物主要有硫化物、碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳和颗粒物，它们达到一定浓度时，都会危害人体健康。
硫化物：形成悬浮颗粒物，又称气溶胶, 随着人的呼吸进入肺部, 对肺有直接损伤作用。
碳氢化合物：许多都是有毒的，其中一些碳氢化合物甚至是潜在的致癌物。此外，在强烈阳光照射下，伴随着氮氧化物的存在时，碳氢化合物会发生反应，在近地面生成臭氧，有可能导致光化学烟雾污染。
氮氧化物：可以和空气中的水分、氨以及其他化合物反应，生成含硝酸的细微颗粒物，影响呼吸系统，损害肺组织。
一氧化碳：与人体血液中血红素的亲和力是氧气的210倍，而血红素担负着向人体器官和组织输送氧气的重任。血红素和一氧化碳结合生成一氧化碳血红素即丧失了输送氧气的功能，从而使人体器官和组织的供氧量不足，对心脏病和呼吸系统疾病患者特别有害。
颗粒物：根据其直径大小不同，有总悬浮颗粒物（TSP）、PM10（直径小于10微米）和PM2.5（直径小于2.5微米）之分，后二者也统称为可吸入颗粒物，因为它们可以进入人的呼吸系统，甚至是进入肺脏的最深部，引起或加重哮喘病，急性呼吸系统症状如咳嗽、呼吸困难或呼吸疼痛，以及慢性支气管炎。
国内外大量流行病学研究结果表明，大气PM10浓度每升高10微克/立方米，可能与人群总死亡率升高约0.5％相关；大气二氧化氮浓度每升高10微克/立方米，可能与人群总死亡率升高约1％相关