Durante años, los estudios epidemiológicos han asociado fumar con muchas y diversas enfermedades graves y fatales. Las enfermedades más estudiadas han sido el cáncer de pulmón, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y la enfermedad coronaria cardíaca, principalmente porque estas enfermedades son importantes causas de muerte en muchos países.
Estos estudios estadísticos establecen, de manera consistente, asociaciones muy fuertes entre fumar y el cáncer de pulmón, de manera que resulta razonable concluir que fumar es una causa importante del cáncer de pulmón. Las estadísticas reportan una incidencia más alta de cáncer de pulmón en grupos que han fumado durante más años y que fuman más cigarrillos al día, y se piensa que entre estos factores, el más importante es el tiempo que la gente lleva fumando. Se ha estimado (aunque las estimaciones varían considerablemente) que alrededor del 10 -15 % de las personas que han fumado durante toda su vida contraen cáncer de pulmón, y que de las personas que contraen cáncer de pulmón, alrededor del 90 % son fumadoras. Después de dejar de fumar, los riesgos comienzan a disminuir y varían de acuerdo a los antecedentes del fumador. El grado de riesgo de una persona que ha dejado de fumar puede acercarse al de un no-fumador después de aproximadamente 10 años de abstinencia.
La EPOC incluye bronquitis crónica y enfisema. Los estudios estadísticos establecen de forma consistente fuertes vínculos entre fumar y la EPOC que tienen una magnitud similar a los riesgos identificados entre fumar y el cáncer de pulmón. Como en el caso del cáncer de pulmón, la incidencia es más alta en los grupos que han fumado durante más tiempo y que fuman más cigarrillos al día. Se piensa que dejar de fumar hace que el progreso de la enfermedad sea más lento. Los riesgos en grupos de ex-fumadores tienden a permanecer más altos que para no-fumadores, pero más bajos que para aquellos que continúan fumando.
Fumar es una de las causas de la enfermedad cardíaca coronaria. La enfermedad cardíaca se relaciona con muchos factores además de fumar; las autoridades sanitarias también consideran el colesterol alto, la presión arterial alta, la obesidad y la falta del ejercicio como factores importantes. Algunos estudios han demostrado que los riesgos de enfermedad cardíaca son mayores en grupos de personas que tienen más de uno de estos factores de riesgo (por ejemplo, fumadores que hacen poco ejercicio). Los riesgos de enfermedad cardíaca relacionados con el cigarrillo se reducen de una forma relativamente rápida tras dejar de fumar.
Las autoridades sanitarias aconsejan que las mujeres embarazadas no deben fumar y han publicitado este mensaje ampliamente. Muchos estudios estadísticos han demostrado un vínculo entre el bajo peso de los bebés al nacer y las madres que fuman a lo largo del embarazo. Algunos estudios estadísticos han demostrado, entre otros factores, vínculos entre el fumar durante el embarazo y la mortalidad infantil, el nacimiento prematuro, el aborto y los partos de infantes muertos.
Estudios epidemiológicos han demostrado varios riesgos incrementados de otras enfermedades entre fumadores. Éstos incluyen el derrame cerebral (enfermedad cerebro vascular), infarto de miocardio, aneurisma aórtico, enfermedades que afectan la circulación (como la enfermedad vascular periférica) y los cánceres de garganta, boca, vejiga, estómago y riñones. La fuerza de la evidencia que relaciona estas enfermedades con fumar varía entre las enfermedades y entre diversos grupos de personas en diversos países.