Dioksiinid ja vähk on suure kokkupuute korral otseselt seotud. Kemikaalidest tulenevaid terviseriske uurivad ja reguleerivad valitsusasutused täiustasid dioksiinide ja vähi vahelist seost, klassifitseerides dioksiinid teadaolevaks inimese kantserogeeniks. Kokkupuude kõrge dioksiinitasemega võib põhjustada lümfisüsteemi, rinna-, sapipõie- ja verevähki ning pehmete kudede sarkoome. Seos dioksiinide ja vähi vahel madalal kokkupuutetasemel ei ole teaduslikult kindlaks tehtud.
Keskkonnas leidub sadu dioksiine, mis tekivad klooripõhiste keemiliste ühendite kaudu, mis saastavad õhku, vett ja pinnast. Tüüp, mida peetakse kõige mürgisemaks ja mida dioksiinid ja vähiuurijad uurivad, on tuntud kui tetraklorodibenso-paradioksiin (TCDD). Kõigi muude dioksiinivormide ja vähi vahelisi seoseid uuritakse seoses TCDD teadaoleva toksilise mõjuga.
Dioksiine tekib jäätmete põletamisel prügilates ning rafineerimis- ja sulatusprotsessides metallitootmisettevõtetes. Paberi- ja tselluloositööstuses kasutatav pleegitamisprotsess tekitab samuti dioksiine. Neid kemikaale leidub sigaretisuitsus, pestitsiidides, herbitsiidides ja puidukaitsevahendites. Enamik inimesi puutub kokku dioksiinidega kemikaaliga saastunud toidu söömisel.
Liha sisaldab kõige rohkem dioksiini, mida leidub kõige sagedamini veiselihas, millele järgnevad kana-, sea- ja rasvane kala. Piimatooted, nagu juust, või, piim, munad ja jäätis, võivad samuti olla dioksiinidega rikutud. Inimesed, kes elavad rafineerimistehaste, paberivabrikute või munitsipaalprügilate läheduses, võivad kemikaaliga saastunud õhku sisse hingata.
Üks kuulsamaid dioksiinide ja vähi uuringuid uuris Agent Orange’i kasutamist USA sõjaväes Kagu-Aasias Vietnami sõja ajal. Tohutuid džunglialasid pihustati herbitsiidiga, et tappa vaenlase vägesid varjavaid taimi. Vietnami veteranid, kes puutusid kokku Agent Orange’i kõrge TCDD tasemega, näitasid suuremat vähki ja muid tervisehäireid.
Teadlased usuvad, et TCDD soodustab kasvajate kasvu ja levikut rakkude biokeemilise muutumise kaudu. Nendes uuringutes leiti suurenenud vähi esinemissagedus tasemel, mida varem peeti mittetoksiliseks. Teises uuringus leiti sarnaseid tulemusi herbitsiidide kasutamisel.
Itaalias Sevesos, kui herbitsiiditehas 1976. aastal plahvatas, tekkisid elanikud, kes puutusid kokku TCDD-ga Sevesos, hiljem tekkisid erinevad vähid. Teadlased uurisid kaugust plahvatusest ning pinnases ja vees leitud dioksiinide taset, et hinnata seost dioksiinide ja vähi vahel. Nad võrdlesid vähi esinemissagedust 10 aastat pärast õnnetust piirkondadega, mis pääsesid saastumisest, sest vähi arenemiseks kulub tavaliselt nii kaua või rohkem aega.
Dioksiine leidub ka polüvinüülkloriidist (PVC) plastis ja neid võib esineda ka mõnes plastikust toidupakendis. Terviseeksperdid ei soovita mikrolaineahjus taaskasutada ühekordseks kasutamiseks mõeldud plastmahuteid, näiteks margariinivanne. Kuumus võib dioksiinid toidu sisse paisata. Mikrolaineahjudes kasutatav plastikust toidukile peaks olema spetsiaalselt selleks kasutuseks valmistatud ja õhukest plastikust, näiteks toidupoekottidest, tuleks vältida.