A xenobiotikum felhalmozódása olyan káros, veszélyes anyagok felhalmozódása a szervezetben, amelyek különböző mérgezéseket , mutációkat , betegségeket és akár halált is okoznak. A felhalmozódás például a következőket eredményezheti: xenobiotikumok maximális koncentrációjának határértéke , mikroorganizmusok elszaporodása, mérgező füstök belélegzése, sugárzás , közvetlen érintkezés a bőrrel . A xenobiotikum felhalmozásakor a veszélyes anyagokat el kell távolítani a szervezetből. Néha bizonyos körülmények között lehetetlen eltávolítani a xenobiotikumot, mivel az már rögzítve van a szervezetben.
A xenobiotikum hatásának és felhalmozódásának példája lehet az 1986-os csernobili katasztrófa. Emberek ezrei kaptak magas szintű sugárzást, azaz xenobiotikumok felhalmozódását, ami később sugárbetegséghez , rákhoz és halálhoz vezetett.