高压氧对神经恢复有诸多好处，研究表明，在脑外伤后的神经恢复中，高压氧治疗能使约60%左右的患者神经功能改善。
改善脑缺血缺氧状态
增加血氧含量：高压氧可以提高血氧分压，增加血氧含量，使氧气更容易输送到受损的神经组织中。正常情况下，人体动脉血氧分压约为100mmHg，而在高压氧环境下，血氧分压可升高至300mmHg以上，能有效改善神经细胞因缺血缺氧导致的代谢障碍。促进侧支循环建立：高压氧能够刺激血管内皮生长因子等物质的分泌，促进侧支循环的建立。当脑部血管出现堵塞等情况导致神经缺血时，侧支循环可以为受损神经区域提供新的血液供应通道，帮助神经恢复功能。
减轻神经水肿
降低血管通透性：高压氧可以使脑血管收缩，降低血管通透性，从而减轻神经组织周围的水肿。临床研究发现，在高压氧治疗后，神经组织周围的水肿程度可在数小时内明显减轻。例如，对于脑梗死患者，高压氧治疗能有效缓解梗死区域周围神经组织的水肿情况，为神经恢复创造良好的环境。缓解颅内压升高：神经水肿往往会导致颅内压升高，而高压氧通过减轻水肿可以间接缓解颅内压升高的状况。这对于因神经水肿引起头痛、呕吐等症状的患者来说，能有效改善不适，同时有利于神经的恢复。
加速神经细胞修复与再生
刺激神经生长因子分泌：高压氧能刺激神经细胞分泌神经生长因子，如脑源性神经营养因子等。这些神经生长因子可以促进神经细胞的修复和再生。神经生长因子能够作用于受损的神经轴突，促使其生长和延伸，连接到相应的靶细胞，恢复神经传导功能。增强神经细胞抗氧化能力：高压氧环境下，神经细胞的抗氧化能力得到增强，减少了自由基对神经细胞的损伤。自由基会破坏神经细胞的细胞膜、细胞器等结构，而高压氧可以通过提高超氧化物歧化酶等抗氧化酶的活性，降低自由基的危害，使神经细胞能够更好地进行修复和再生，有助于神经功能的恢复。