Тяжёлые металлы (свинец, кадмий, ртуть, мышьяк) могут присутствовать в молоке. Эти элементы токсичны, могут вызывать пищевые токсикозы, оказывать канцерогенный и мутагенный эффект. 
Содержание тяжёлых металлов в молоке зависит от времени года, периода лактации, условий содержания коров. Например:
- Свинец попадает в молоко с загрязнёнными кормами, содержащими этот элемент, и в некоторых случаях — из воздуха.
- Кадмий поступает в молоко с кормами, содержащими повышенное количество кадмия, или из почвы, загрязнённой выбросами от сжигания топлива, отходами гальванических цехов, минеральными фосфорсодержащими удобрениями.
- Мышьяк попадает в молоко с кормами и питьевой водой для животных, а также при использовании соединений мышьяка в сельском хозяйстве (фунгицидов, гербицидов, инсектицидов).
Тяжёлые металлы поступают в молоко в результате их аккумуляции в пищевых цепях. В каждом новом звене пищевых цепей происходит всё большее накопление металлов по отношению к предыдущему звену. 
Также большие количества тяжёлых металлов могут выделяться в молоко при отравлении животных различными химическими препаратами. Например, при отравлении животных соединениями свинца, мышьяковистыми препаратами, медным купоросом в молоке содержится увеличенное количество свинца, мышьяка, меди. 
Допустимое содержание тяжёлых металлов в молоке:
- свинец — 0,1 мг/кг;
- мышьяк — 0,05 мг/кг;
- кадмий — 0,03 мг/кг;
- ртуть — 0,005 мг/кг.
При длительном кипячении молока концентрация соединений тяжёлых металлов увеличивается.
Для определения содержания тяжёлых металлов в молоке используют, например:
- Атомно-абсорбционную спектрометрию.
- Инверсионную вольтамперометрию.
Количество тяжёлых металлов увеличивается с повышением температуры хранения и времени обработки молока.
Для снижения содержания тяжёлых металлов в молоке применяют, например:
- Соблюдение санитарно-гигиенических условий содержания коров и получения молока.
- Совершенствование технологий первичной обработки молока на фермах. 
- Использование сорбентов для детоксикации молочного сырья от тяжёлых металлов.
Например, применяют природные цеолиты, которые проявляют сорбционные свойства по отношению к ионам кадмия и свинца. 
Однако снизить содержание тяжёлых металлов в молоке или устранить их практически невозможно без нарушения его пищевой ценности, поскольку тяжёлые металлы связаны в молоке комплексами с наиболее ценными пищевыми компонентами, в частности, с белком молока.