No sistema imune, o benzeno causa a linfopenia, não causando, no entanto, a diminuição das imunoglobulinas, mas apenas o aumento do seu complemento.

Em pacientes com intoxicação aguda, o benzeno fica retido em maior quantidade na medula óssea, no tecido adiposo e no fígado, enquanto em pacientes com intoxicação crônica, o benzeno permanece no sistema nervoso central o que pode causar depressão ao paciente.

A exposição crônica ao benzeno em baixas concentrações produz, inicialmente, efeito estimulante sobre a medula óssea, o qual é seguido de aplasia e degeneração gordurosa.

Os metabólitos do benzeno são inócuos, mas o benzeno não biotransformado é tóxico e mitótico e provoca a formação de clones celulares anômalos (moléculas que reagem com o DNA).

No sistema hepatopoético o benzeno leva à anemia do tipo microcítica e hipocrômica.