Po opakovaném perorálním a parenterálním podávání tramadolu potkanům a psům po dobu 6-týdnů a po perorálním podávání tramadolu psům po dobu 12 měsíců nebyly při hematologických, biochemických a histologických vyšetřeních popsány žádné změny, které by měly souvislost s podávanou látkou. Po vysokých dávkách značně převyšujících terapeutické rozmezí se vyskytly pouze příznaky z ovlivnění centrálního nervového systému: neklid, slinění, záchvaty křečí a úbytek tělesné hmotnosti. Potkani a psi tolerovali bez jakýchkoliv reakcí perorální dávky mg/kg resp. 10 mg/kg tělesné hmotnosti, a psi rektální dávku 20 mg/kg tělesné hmotnosti.
U potkaních samic měly dávky tramadolu od 50 mg/kg/den výše toxické účinky a zvyšovaly neonatální mortalitu. U potomstva se vyskytly poruchy osifikace a pozdní otevírání vagíny a očí. Fertilita samců ani samic nebyla ovlivněna. U králíků se toxické účinky na samice a kosterní abnormality u jejich potomstva vyskytly po dávkách od 125 mg/kg výše.
V některých in vitro testovacích systémech byly prokázány mutagenní účinky. V in vivo studiích tyto účinky pozorovány nebyly. Dle současných poznatků lze tramadol klasifikovat jako nemutagenní.
Studie na kancerogenitu tramadolu byly prováděny na potkanech a myších. Studie na potkanech neprokázala v souvislosti s podáváním látky zvýšený výskyt nádorů. Ve studiích na myších byl prokázán zvýšený výskyt adenomů z jaterních buněk u samců (na dávce závislé nesignifikantní zvýšení u dávek 15 mg/kg a vyšších) a plicních nádorů u samic ve všech dávkovacích skupinách (signifikantní, ale na dávce nezávislé zvýšení).