Net zoals mensen (en dieren) ondervinden planten ook negatieve effecten van NO2. Het kan rechtstreeks schade toebrengen aan planten en hun groei vertragen. Ook kan het de planten gevoeliger maken voor ziekte en vorst. Hoge concentraties van NO2 leiden ook tot de vorming van ozon (voornamelijk overdag), waarvan geweten is dat het zeer schadelijk is voor planten. Het belangrijkste effect is het verminderen of stoppen van de fotosynthese.
NO2 zorgt voor een verhoogde toevoer van stikstof naar de bodem (vermesting), wat nefast is voor natuurlijke ecosystemen. Als gevolg hiervan vermindert de biodiversiteit in bos, heide en extensief beheerd grasland. NO2 regent ook uit boven de oceaan, wat leidt tot een verzuring van het zeewater door “zure regen”.