呼吸衰竭的主要机制有：①肺换气功能障碍。肺的气体交换系指肺泡内气体与肺泡毛细血管血液中气体的交换，主要是氧与二氧化碳的交换。肺气体交换主要决定于通气／血流灌注比值（V／Q）与弥散功能。Ⅰ型呼吸衰竭的主要发病机制为换气功能障碍，主要有通气／血流比例失调和弥散功能障碍两种。②肺通气功能障碍。肺通气是指通过呼吸运动使肺泡气与外界气体交换的过程。凡能影响肺通气与阻力的因素均可影响肺通气功能。肺通气功能的正常与通气量大小，不只是决定于推动肺通气的动力大小，还要决定于肺通气的阻力。肺通气是在呼吸中枢的调控下，通过呼吸肌的收缩与松弛，使胸廓和肺作节律性的扩大和缩小得以实现。在静息呼吸空气时，总肺泡通气量约为4L／min，才能维持正常氧和二氧化碳分压。当肺通气功能障碍时，肺泡通气量不足，肺泡氧分压下降，二氧化碳分压上升，可发生Ⅱ型呼吸衰竭，即PaO₂下降和PaCO₂升高同时存在。肺通气功能障碍可分限制性通气不足与阻塞性通气不足两种类型。由肺泡张缩受限引起者称限制性通气不足；因气道阻力增高引起者称阻塞性通气不足。③呼吸衰竭时发生的缺氧和二氧化碳潴留可影响全身各系统器官的代谢和功能，其对机体的损害程度取决于缺氧和二氧化碳潴留发生的速度、程度和持续时间。若缺氧和二氧化碳潴留同时存在，对机体的损害更为明显，其中缺氧对机体损害显得更为重要。在所有缺氧引起的脏器损害中，心、脑、肺血管、肝、肾对缺氧最敏感。