一氧化碳由呼吸道吸入體內,通過肺泡進入血循環與血紅蛋白形成碳氧血紅蛋白,大大妨礙血紅蛋白攜帶氧氣的功能,造成組織缺氧。碳氧血紅蛋白影響氧合血紅蛋白的解離,于是組織受到雙重的缺氧作用。吸入較高濃度的一氧化碳,還可與含鐵的組織呼吸酶結合阻礙組織細胞的呼吸。
由于中樞神經系統對缺氧最敏感,所以首先受累,因此一氧化碳中毒會導致腦梗塞,一氧化碳中毒以中樞神經系統受損的癥狀為主,開始有頭沉重感,前額發緊,進而有劇烈的頭疼,視力朦朧,惡心嘔吐,顳部跳動。以后出現肌無力及共濟失調。雖然意識尚存,但中毒者不能自動離開危險環境。一部分一氧化碳中毒患者在昏迷蘇醒后,有二至六十天的假愈期。
中樞神經系統嚴重缺氧,導致一系列損害。腦血管由痙攣到擴張,神經細胞與間質水腫,繼發性血栓,點狀出血神經細胞變性壞死及脫髓鞘病變,可有皮質與基底節的軟化壞死,及廣泛的白質斑狀變性。