诊断呼吸衰竭最主要的依据是动脉血气分析。一般来说，在海平面静息状态下，呼吸空气时，动脉血氧分压（PaO₂）<60mmHg，伴或不伴动脉血二氧化碳分压（PaCO₂）>50mmHg，即可诊断为呼吸衰竭。
血气分析指标的意义
动脉血氧分压（PaO₂）： 正常范围一般在80~100mmHg。当PaO₂<60mmHg时，就提示有低氧血症的可能，是诊断呼吸衰竭的重要指标之一。比如，一些严重肺部疾病患者，像重症肺炎患者，由于肺部炎症影响气体交换，PaO₂会明显降低。动脉血二氧化碳分压（PaCO₂）： 正常范围通常是35~45mmHg。如果PaCO₂>50mmHg，说明存在二氧化碳潴留，这也有助于呼吸衰竭的诊断。例如慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者，病情进展时，肺通气功能下降，二氧化碳排出受阻，PaCO₂会升高。
不同类型呼吸衰竭的血气特点
Ⅰ型呼吸衰竭： 主要表现为PaO₂<60mmHg，PaCO₂正常或降低。常见于急性肺损伤、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）等疾病。比如ARDS患者，由于肺部的炎性渗出等导致肺的换气功能严重障碍，出现低氧血症，但二氧化碳排出可能还未明显受影响，所以PaCO₂正常或降低。Ⅱ型呼吸衰竭： 特点是PaO₂<60mmHg，同时PaCO₂>50mmHg。多由于肺泡通气不足引起，常见于COPD患者。因为COPD患者小气道狭窄、阻塞，导致通气功能下降，二氧化碳潴留，同时氧的吸入也受到影响，出现低氧和二氧化碳潴留并存的情况。
结合临床症状综合判断
虽然动脉血气分析是诊断呼吸衰竭最主要的依据，但也需要结合临床症状来综合判断。比如患者有呼吸困难、气促、发绀等表现，再结合动脉血气分析的结果，就能更准确地诊断呼吸衰竭。像慢性肺源性心脏病患者，除了有原发病的表现外，通过动脉血气分析发现PaO₂和PaCO₂的异常，再结合患者呼吸困难等症状，就能明确诊断为呼吸衰竭，并进一步区分是Ⅰ型还是Ⅱ型呼吸衰竭等，从而制定相应的治疗方案。