重度低氧血症是指动脉血氧分压（PaO₂）低于60mmHg，同时伴有动脉血二氧化碳分压（PaCO₂）高于50mmHg的情况，其临床表现多样。
呼吸系统表现
呼吸频率改变： 重度低氧血症时，患者呼吸会变得急促，频率可能会超过30次/分钟。这是身体试图通过加快呼吸来获取更多氧气的一种代偿反应。呼吸困难加重： 患者会明显感觉吸气和呼气都很费力，呼吸时可能会伴有鼻翼扇动、辅助呼吸肌参与呼吸等情况，比如颈部、胸部的肌肉会明显参与到呼吸运动中，以帮助改善通气。
神经系统表现
头痛： 由于脑部缺氧，患者常常会出现头痛症状，疼痛多为胀痛，程度可能因人而异。一般是因为缺氧导致脑血管扩张，颅内压轻度升高引起。意识障碍： 轻度的重度低氧血症可能会导致患者注意力不集中、反应迟钝；随着缺氧加重，会出现嗜睡，严重时可陷入昏迷状态。例如，严重低氧血症的患者可能无法正常与人交流，对周围环境的刺激没有明显反应。
循环系统表现
心率加快： 身体为了弥补组织缺氧，会通过加快心率来增加心输出量，此时心率可能会超过100次/分钟。血压变化： 早期可能会出现血压升高，这是因为机体的应激反应，交感神经兴奋，导致外周血管收缩；但随着病情进一步发展，严重缺氧会抑制心脏功能，导致血压下降，出现休克的相关表现，如皮肤苍白、湿冷等。
其他表现
发绀： 这是重度低氧血症比较典型的表现之一，患者的口唇、甲床等部位会出现青紫色。因为当血液中还原血红蛋白含量超过50g/L时，就会出现发绀现象，这是由于缺氧导致血红蛋白氧合不足，还原血红蛋白增多所致。精神状态改变： 患者可能会出现烦躁不安的情况，这也是因为脑部缺氧影响了神经功能，使得患者情绪不稳定。