低氧血症是指血液中含氧不足，动脉血氧分压低于同龄人的正常下限，主要原因有以下几类。首先是呼吸系统疾病导致，比如慢性阻塞性肺疾病，这类患者气道狭窄、气流受限，通气功能下降，大约40%以上的慢性阻塞性肺疾病患者会出现不同程度的低氧血症；还有肺栓塞，是由于血栓堵塞肺动脉或其分支，影响肺的气体交换，导致氧气不能有效进入血液。
肺部本身病变引起
肺炎：肺部发生炎症时，肺泡会受到影响，气体交换功能受阻。例如细菌性肺炎，炎症使得肺泡渗出增多，影响氧气的摄取，约有30% - 50%的肺炎患者会出现低氧血症。间质性肺疾病：这类疾病会使肺间质发生病变，破坏肺的正常结构，影响气体在肺内的交换。特发性肺纤维化是常见的间质性肺疾病，患者肺组织逐渐纤维化，气体交换能力下降，长期可导致低氧血症。
气道阻塞相关
上气道阻塞：如喉头水肿，可能由过敏、感染等原因引起，会阻碍气体进入肺部。严重的喉头水肿在短时间内就可能导致低氧血症。下气道阻塞：支气管哮喘急性发作时，支气管痉挛、黏膜水肿、分泌物增多，气道狭窄，通气不畅，约有10% - 20%的哮喘急性发作患者会出现低氧血症；另外，支气管肺癌也可能造成气道阻塞，随着肿瘤生长，逐渐堵塞气道，影响气体交换。
循环系统相关因素
心功能不全：当心脏功能不全时，心脏泵血功能下降，不能将足够的血液输送到肺部进行气体交换，进而引起低氧血症。例如左心功能不全，血液淤积在肺部，影响氧的摄取和交换，约有50%以上的心功能不全患者存在低氧血症相关表现。先天性心脏病：如法洛四联症等，存在心脏结构异常，导致血液分流异常，使得部分静脉血未经充分氧合就进入体循环，造成低氧血症，新生儿先天性心脏病中约有一定比例会出现低氧血症相关情况。