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，一般认为PaO₂<60mmHg即为低氧血症。它的形成主要有以下几方面原因：
一、通气功能障碍导致低氧血症
肺泡通气不足： 比如慢性阻塞性肺疾病患者，其气道受阻，呼吸肌功能减退，会引起肺泡通气量减少。正常情况下肺泡每分钟通气量能维持气体交换，但这类患者通气不足，使得吸入的氧气不能充分进入肺泡，二氧化碳也不能有效排出，从而导致低氧血症。无效腔样通气增加： 部分肺组织病变，如肺栓塞时，血管堵塞，相应部位的肺组织血流减少，肺泡虽然有通气，但血流灌注不足，就像形成了无效的通气区域，影响了气体交换，进而引发低氧血症。
二、换气功能障碍引发低氧血症
弥散障碍： 肺泡与毛细血管之间的气体交换依靠弥散作用。当肺泡膜增厚时，如肺纤维化患者，肺泡膜厚度增加，气体弥散速度减慢，就会影响氧气从肺泡向血液的弥散，导致低氧血症。另外，肺泡面积减少也会影响弥散，比如大面积肺实变时，很多肺泡失去了气体交换功能，面积减少，弥散也就受到影响。通气/血流比例失调： 正常情况下通气与血流比例约为0.8。当通气不足时，比如慢性支气管炎患者小气道阻塞，通气减少，而血流相对正常，比例降低，就会形成肺内分流，导致低氧；当血流减少时，如肺血管病变，血流减少，通气相对正常，比例升高，也会影响气体交换，引发低氧血症。
三、氧耗增加导致低氧血症
在某些特殊情况下，人体氧耗会明显增加。比如剧烈运动时，机体代谢加快，对氧气的需求大幅增加，如果此时肺的通气和换气功能不能及时跟上，就可能出现相对的氧供不足，引发低氧血症。还有一些高热患者，体温每升高1℃，氧耗大约增加10%，也容易导致低氧血症的发生。