不同种类窒息性气体的致病机制不同，但其主要致病环节都是引起机体组织细胞缺氧。正常情况下，空气中的氧经呼吸道吸入到达肺泡，经过血气交换进入血液，与红细胞中的Hb结合形成氧合血红蛋白(HbO2),再经血液循环输送至全身各组织器官，与组织中的气体交换进入细胞。在细胞内各种呼吸酶的作用下，参与糖、蛋白质、脂肪等营养物质的代谢转化,产生能量,并生成二氧化碳和水，以维持机体的生理活动。
上述过程中的任何一个环节被窒息性气体阻断，都会引起机体缺氧窒息。
一氧化碳可以与氧气竞争血红蛋白上的结合位点，形成碳氧血红蛋白（HbCO)，使血液运输氧气的能力下降，导致组织细胞缺氧。
硫化氢进入机体后的作用是多方面的。主要是硫化氢与细胞色素氧化酶中的Fe“结合,抑制细胞呼吸酶的活性，导致组织细胞缺氧；硫化氢还可与谷胱甘肽（glutathione,GSH）的巯基（—SH）结合，使CSH 失活，加重组织细胞缺氧;另外，高浓度硫化氢可通过对嗅神经、呼吸道黏膜神经及颈动脉窦和主动脉体的化学感受器的强烈刺激，导致呼吸麻痹，甚至猝死。
氰化氢进入机体后，氰离子（CN-）直接作用于细胞色素氧化酶，使其失去传递电子能力，导致细胞不能摄取和利用氧，引起细胞内窒息。
甲烷本身对机体无明显毒性，其造成的组织细胞缺氧，是由于吸入气中氧的比例和浓度降低所致的缺氧性窒息。