呼吸衰竭的诊断主要依据血气分析等检查。一般来说，在海平面、静息状态、呼吸空气的情况下，动脉血氧分压（PaO₂）<60mmHg，伴或不伴动脉血二氧化碳分压（PaCO₂）>50mmHg，可诊断为呼吸衰竭。
血气分析指标是关键依据
动脉血氧分压测定： 正常情况下，动脉血氧分压（PaO₂）约为 80 - 100mmHg。当PaO₂<60mmHg时，就提示有低氧血症的可能，这是呼吸衰竭诊断的重要指标之一。比如，一些严重肺部疾病患者，其PaO₂会明显降低。动脉血二氧化碳分压测定： 正常动脉血二氧化碳分压（PaCO₂）约为 35 - 45mmHg。如果PaCO₂>50mmHg，同时伴有PaO₂<60mmHg，那就更支持呼吸衰竭的诊断。因为二氧化碳分压升高往往意味着肺的通气功能出现了问题。
结合临床表现辅助判断
呼吸困难表现： 呼吸衰竭患者通常会有呼吸费力的情况，严重时可能出现呼吸频率、节律的改变。比如，有的患者呼吸会变得急促，每分钟呼吸次数可能超过20次；还有的患者呼吸节律不规整，出现深大呼吸或者浅快呼吸等异常表现。发绀现象： 当机体缺氧较严重时，患者的口唇、甲床等部位会出现发绀。这是因为缺氧导致血液中还原血红蛋白增多，从而使皮肤黏膜呈现青紫色。不过，并不是所有呼吸衰竭患者都会出现明显发绀，比如贫血患者可能发绀不明显，但依然存在呼吸衰竭的情况。
不同类型呼吸衰竭的特点
Ⅰ型呼吸衰竭： 主要特点是仅有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等情况。例如，严重的肺炎患者可能会出现Ⅰ型呼吸衰竭，由于肺部炎症导致气体交换障碍，氧分压降低，但二氧化碳排出还相对正常。Ⅱ型呼吸衰竭： 表现为PaO₂<60mmHg，同时PaCO₂>50mmHg。多是由于肺通气功能障碍引起，常见于慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者。因为COPD患者气道狭窄，呼气阻力增加，导致二氧化碳潴留，同时伴有氧分压降低。