由於氟化物主要存在於骨骼中，因此骨骼是科學家尋找氟化物印記的最佳組織。很多以骨質疏松症（osteoporosis）患者為對象的研究顯示，高劑量氟化物能刺激造骨細胞（osteoblast cell）增殖，對於老年患者同樣如此。其中的確切機制還不明晰，不過科學家推測，氟化物能通過提高酪氨酸磷酸化蛋白質（參與了向造骨細胞傳遞生化信號的過程）的濃度，從而產生上述效應。雖然氟化物可能增加骨容量，骨強度卻明顯降低了。流行病學研究與動物試驗顯示，長期攝入高劑量氟化物會讓人們更易骨折，尤其是老年人和糖尿病患者。對於“氟化物危險論”，科學界尚存爭議。即便如此，NRC專家組的12名成員中，有9人都認為，如果人們一生都在飲用氟含量超過4 毫克/升的水，發生骨折的幾率肯定高於健康人群。他們還指出，低濃度的氟化物也可能增加骨折幾率，只是目前沒有足夠的證據可以證明這一點。
當參與試驗的兒童進入青春期後，利維希望通過分析他們的脊柱、髋部及全身骨骼強度，揭示氟化物攝入量和骨骼健康之間的聯系。2007年，他收集到一些初始數據，然而根據受試者在幼兒期攝入的氟化物量，利維並未發現在這些11歲兒童的骨骼中，礦物含量有什麼差別。不過他堅持認為，礦物含量的差別可能會隨著年齡增大逐漸顯現。
關於氟化物的更大爭議是，發生在骨骼和牙齒上的生化反應，是否意味著氟化物還會影響其他器官的功能，引發更多疾病。目前，爭論的焦點是骨肉瘤（osteosarcoma）——骨骼腫瘤中最常見的類型，在兒童中的發病率居所有兒童腫瘤的第6位。由於氟化物會促進造骨細胞的增殖，一些科學家因此認為，正是造骨細胞的大肆增殖才導致了惡性腫瘤。1990年，美國政府發起的毒理學計劃（National Toxicology Program）中的一項研究顯示，雄鼠飲用了一系列氟化物濃度不同的水後（所有試驗用水中的氟化物含量，均高於正常飲用水中的含量），骨肉瘤發病率與氟化物濃度呈正比關系，即患病率隨著劑量的升高而升高。但除了這項研究，很多動物試驗以及人群流行病學研究得到的結果，都沒有體現出如此明確的關聯性。
最近一次有關氟化物與骨肉瘤關系爭論的主角，是哈佛大學牙醫學院的一對師生。伊莉斯·貝辛（Elise B. Bassin）是該學院的一名年輕研究人員，她分析了103位曾接觸過氟化物的骨肉瘤患者與215名健康對照者的生活習慣後，認為氟化物是男孩患骨肉瘤的重要風險因子（對女孩是否也有這樣的影響尚不明確）。2006年，貝辛在《癌症病因與控制》雜志（Cancer Causes and Control）上發表了她的研究報告。在同期雜志上，貝辛的導師切斯特·道格拉斯（Chester Douglass）也寫了一篇評論文章，提醒讀者要“特別注意”：貝辛並未發表更具說服力的數據，而這些數據與已發表數據相矛盾。很快，道格拉斯的文章就激起了氟化水反對人士和環保組織的憤怒，他們公開支持貝辛的研究結果，並要求哈佛大學調查道格拉斯——不僅因為他對貝辛的工作作出了錯誤評價，還因為他是高露潔公司贊助的一本牙醫時事通訊的主編，有維護自身利益的嫌疑。
2006年年底，哈佛大學結束了調查，得出的結論稱，道格拉斯並沒有不正當行為。
在氟化物引發的眾多爭論中，最為激烈的可能要算氟化物是否具有神經毒性。上世紀90年代初，美國波士頓福塞斯研究所的菲利斯·缪倫尼克斯（Phyllis Mullenix）發表報告稱，在小鼠身上進行的試驗顯示，氟化鈉會在腦組織中聚集，從而影響動物的行為。缪倫尼克斯在試驗中發現，如果在出生前就接觸了大量氟化物（通過母鼠），幼鼠出生後會表現得極度活躍（尤其是雄鼠）；相反，假如是在出生後接觸氟化物，小鼠會變得懶散（主要是雌鼠）。這篇報告剛在《神經毒理學與畸形學》雜志發表，就引發了激烈的討論。很多科學家認為，缪倫尼克斯的研究方法有缺陷，她使用的氟化物劑量遠高於正常水平。但是，在中國開展的一系列流行病學研究，卻支持了缪倫尼克斯的發現：接觸高劑量的氟化物會降低人類的智力水平。他們在研究中發現，氟化鋁在人體內形成後，由於它與磷酸鹽的結構類似，會影響大腦內多種酶的活性。其他研究也顯示，氟硅酸鹽（silicofluoride）會加強大腦對鉛的吸收。
內分泌系統也會受到氟化物的影響。NRC專家組認為，氟化物會改變內分泌功能，尤其是甲狀腺（分泌調節生長與代謝的激素）。科學家並不清楚氟化物如何影響甲狀腺，而且這種影響還與飲食、遺傳因素有很大的關系。美國堪薩斯大學醫學中心藥理學與毒理學名譽教授、NRC委員會主席約翰·道爾（John Doull）說：“甲狀腺出現的變化的確困擾著科學家，我們必須要弄清楚這是怎麼回事。”
