Η φυσιολογική λειτουργία του αναπνευστικού συστήματος συνίσταται στην οξυγόνωση του αίματος και την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) που είναι ένα ανεπιθύμητο παραπροϊόν του ιστικού μεταβολισμού. Όταν το αναπνευστικό και το κυκλοφορικό σύστημα λειτουργούν χωρίς προβλήματα, οι ιστοί τροφοδοτούνται με αρτηριακό αίμα που περιέχει οξυγόνο σε μερική πίεση 100 mmHg. Το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου παραλαμβάνεται από τους ιστούς, με αποτέλεσμα το φλεβικό αίμα που επιστρέφει στην καρδιά να έχει μερική πίεση οξυγόνου 40 mmHg περίπου. Ταυτόχρονα με το φλεβικό αίμα μεταφέρεται και το διοξείδιο του άνθρακα σε πίεση 45 mmHg περίπου, προκειμένου να αποβληθεί από τους πνεύμονες. Αφού περάσει από τις πνευμονικές κυψελίδες, χάνει ένα μέρος του φορτίου του σε διοξείδιο του άνθρακα, με αποτέλεσμα η μερική πίεση του CO₂ στο αρτηριακό αίμα να είναι 40 mmHg περίπου.

Με βάση τα παραπάνω, ανεπάρκεια του αναπνευστικού συστήματος ισοδυναμεί με ανεπάρκεια οξυγόνωσης του αρτηριακού αίματος ή ανεπάρκεια αποβολής του διοξειδίου του άνθρακα. Μιλούμε για αναπνευστική ανεπάρκεια, όταν η μερική πίεση του οξυγόνου στο αρτηριακό αίμα είναι κάτω των 60 mmHg (υποξαιμία), ή όταν η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα στο αρτηριακό αίμα είναι άνω των 45 mmHg (υπερκαπνία) ή συνυπάρχουν και οι δύο καταστάσεις. Ο παραπάνω ορισμός προϋποθέτει ότι ο ασθενής αναπνέει ατμοσφαιρικό αέρα (πίεση 760 mmHg , περιεκτικότητα σε οξυγόνο 21%).

Ανάλογα με τη φυσική πορεία του νοσήματος, η αναπνευστική ανεπάρκεια διακρίνεται σε οξεία, χρόνια και οξεία επί χρονίας (όταν δηλαδή κάποιος επιπρόσθετος επιβαρυντικός παράγοντας επιδρά σε ένα ήδη βεβαρυμένο αναπνευστικό σύστημα). Παράδειγμα οξείας αναπνευστικής ανεπάρκειας αποτελεί μια βαριά πνευμονία. Η χρόνια αναπνευστική ανεπάρκεια μπορεί να οφείλεται σε χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια (ΧΑΠ), μια πολύ συχνή, προοδευτικά εξελισσόμενη πάθηση, όπου το κάπνισμα παίζει κύριο παθογενετικό ρόλο. Αν ένα άτομο που νοσεί από ΧΑΠ εμφανίσει μια λοίμωξη (βρογχίτιδα η πνευμονία), τότε έχουμε μια κλασική περίπτωση οξείας αναπνευστικής ανεπάρκειας επί εδάφους χρονίας. Το τελευταίο είναι τόσο συχνό, που αποτελεί μάλλον τον κανόνα σε άτομα με βαρειά ΧΑΠ, ιδίως τους χειμερινούς μήνες (παρόξυνση χρόνιας αποφρακτικής πνευμονοπάθειας).

Υπάρχουν παθήσεις που εκδηλώνονται κυρίως με υπερκαπνία και δευτερευόντως με υποξαιμία. Οι παθήσεις αυτές οφείλονται σε ανεπάρκεια της αναπνευστικής αντλίας (μύες και θωρακικό τοίχωμα) και εκδηλώνονται κυρίως με υποαερισμό. Ο ασθενής μπορεί να εμφανίζει ταχύπνοια, αλλά οι αναπνοές που παίρνει είναι επιπόλαιες και ο συνολικός κατά λεπτό όγκος αέρα που εισπνέει δεν επαρκεί. Παραδείγματα τέτοιων παθήσεων είναι η κόπωση των αναπνευστικών μυών σε σήψη, η βαριά κυφοσκολίωση, νευρολογικές νόσοι που παραλύουν τους αναπνευστικούς μύες κλπ.

Άλλες παθήσεις εκδηλώνονται κυρίως με  υποξαιμία. Η βλάβη εντοπίζεται στους πνεύμονες. Παθοφυσιολογικά διακρίνουμε α) Διαταραχή στη διάχυση των αερίων δια μέσου της κυψελιδικής μεμβράνης. Παράδειγμα αποτελεί η πνευμονική ίνωση. β) Πρόσμειξη του αρτηριακού με φλεβικό αίμα που πέρασε από τις κυψελίδες χωρίς να οξυγονωθεί (βραχυκύκλωμα ή shunt) ή οξυγονώθηκε ανεπαρκώς (μεταβολή στη σχέση αερισμού-αιμάτωσης). Εδώ συγκαταλέγονται η πνευμονία, η ατελεκτασία, το πνευμονικό οίδημα και η χρόνια βρογχίτιδα. Οι παθήσεις αυτές εκδηλώνονται με δύσπνοια και σοβαρή κυάνωση που είναι εμφανέστερη στους βλεννογόνους (χείλη, γλώσσα).

Η αναπνευστική ανεπάρκεια έχει εκδηλώσεις και από το κεντρικό νευρικό σύστημα. Διαταράσσεται η εγκεφαλική λειτουργία και ενδέχεται να εμφανιστεί παραλήρημα ή ψυχικές διαταραχές. Η υπερκαπνία, ειδικά, προκαλεί προοδευτική πτώση του επιπέδου συνείδησης. Από το κυκλοφορικό σύστημα παρατηρείται ταχυκαρδία και αυξάνει ο κίνδυνος εμφάνισης αρρυθμιών. Παράλληλα, διαταράσσεται και η νεφρική λειτουργία.

Η θεραπευτική αντιμετώπιση της αναπνευστικής ανεπάρκειας πρέπει να είναι υποστηρικτική και αιτιολογική. Τα βρογχοδιασταλτικά, η παροχέτευση των εκκρίσεων και η φυσιοθεραπεία εφαρμόζονται σε όλους τους ασθενείς. Η χορήγηση οξυγόνου βοηθά πολύ κυρίως σε διαταραχές διάχυσης καθώς και σε μεταβολές της σχέσης αερισμού-αιμάτωσης. Όταν τα μέτρα αυτά δεν αποδώσουν, μόνη λύση είναι η μηχανική υποστήριξη της αναπνοής. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να εξοικονομηθεί ενέργεια και να υποχωρήσει ο υποαερισμός που οφείλεται στην κόπωση των αναπνευστικών μυών. Η εφαρμογή θετικής τελοεκπνευστικής πίεσης (PEEP) βοηθά στις περιπτώσεις πνευμονικού οιδήματος κρατώντας τις κυψελίδες ανοιχτές. Η μηχανική υποστήριξη της αναπνοής δεν είναι άμοιρη επιπλοκών (νοσοκομειακές λοιμώξεις, μείωση καρδιακής παροχής), γι’αυτό και θα πρέπει να αποφασίζεται με μεγάλη φειδώ.