Die Verwendung von Bioethanol schont fossile Ressourcen, reduziert die Erdölabhängigkeit und kann als Substitut für Benzin zu Treibhausgaseinsparungen führen. Sofern Kohlenstoffdioxid (CO₂) bei der Produktion aufgenommen (Anbau von Biomasse) und anschließend bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird, gilt dies als CO₂-neutral. Dennoch fallen auch bei der Herstellung von Bioethanol CO₂-Emissionen an, wobei es eine große Spannbreite gibt, welche maßgeblich von der Verwendung von Düngemitteln beim Anbau der zucker- oder stärkehaltigen Pflanzen abhängt [Maus19, S. 261ff.]. Stickstoffreiche Dünger geben Lachgas (N₂O) in die Atmosphäre ab. Dieses wirkt in seiner Treibhausgaswirkung 296-fach stärker als CO₂ [IPCC01a]. Wenn zudem die Steigerung der Energiepflanzenproduktion mit der Rodung von Regenwald sowie einer Nutzungsänderung von Flächen mit einem hohen CO₂-Speicherwert einhergehen, kann dies die CO₂-Bilanz zusätzlich negativ beeinflussen. Darüber hinaus erfolgt der Anbau oft in Monokulturen, was zu einem Verlust der Biodiversität führt. Nicht zuletzt wirkt sich der Anbau auch auf die Wasserverfügbarkeit und -qualität aus. [KoZi12, S.26 ff.]

Die CO₂-Einsparung für Bioethanol schwankt außerdem stark in Abhängigkeit vom verwendeten Rohstoff und der Art der Produktionsanlagen und der Energiebereitstellung in diesen Anlagen [ZaPe21, S. 132ff.]. Das heißt beispielsweise, ob Biomasse oder fossile Energieträger zur Energieerzeugung verwendet werden und ob Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) zum Einsatz kommen. Den besten Wert erreicht Ethanol aus Zuckerrohr mit etwa 60 Gramm CO₂-Äquivalenten pro Megajoule. Den schlechtesten Wert erzielt die Produktion aus Weizen mit 100 Gramm CO₂-Äquivalenten pro Megajoule Ethanol. [Maus19, S. 261ff.]

Die CO₂-Bilanz fällt beim Einsatz von zellulosehaltigen Rohstoffen am besten aus. Die Emissionseinsparungen durch Bioethanol auf Basis des Einsatzes  (zellulosehaltiger) Abfälle und Reststoffe waren in den Jahren 2018 und 2019 am höchsten. [BLE20, S.66]