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。导致低氧血症的原因有多种。
肺部通气功能障碍引起
气道阻塞： 比如气管内异物，会阻碍空气进入肺部，影响气体交换。另外，慢性阻塞性肺疾病患者，气道会逐渐狭窄，也会出现通气功能障碍，进而引发低氧血症。肺部组织病变： 像重症肺炎，肺部大量的炎症渗出会影响肺的通气和换气功能。肺纤维化患者的肺组织弹性下降，气体交换效率降低，也容易导致低氧血症。
肺部换气功能障碍导致
弥散障碍： 肺泡与毛细血管之间的气体交换面积减少或气体弥散距离增加会引起弥散障碍。例如，肺气肿患者肺泡周围毛细血管减少，气体弥散面积减小。通气/血流比例失调： 正常情况下，通气和血流是匹配的。而在肺栓塞时，部分血管被堵塞，血流减少，就会造成通气/血流比例失调，影响气体交换，引发低氧血症。
循环系统相关原因造成
心输出量减少： 严重的心力衰竭患者，心脏泵血功能下降，导致全身组织器官的血液灌注不足，包括肺部的气体交换也会受到影响，从而出现低氧血症。右向左分流的先天性心脏病： 比如法洛四联症，心脏存在异常的通道，使静脉血未经充分氧合就直接进入动脉系统，导致血液中的氧含量降低，引发低氧血症。