Eine Hypoxie liegt vor, wenn eine verminderte Sauerstoffmenge in den Geweben des Körpers vorhanden ist. Hypoxämie bezeichnet eine Verringerung des PO2 unter den Normalbereich, unabhängig davon, ob der Gasaustausch in der Lunge beeinträchtigt ist, der CaO2 ausreichend ist oder eine Gewebehypoxie vorliegt. Es gibt mehrere potenzielle physiologische Mechanismen für eine Hypoxämie, aber bei Patienten mit COPD ist der vorherrschende Mechanismus eine V/Q-Fehlanpassung, mit oder ohne alveoläre Hypoventilation, wie durch PaCO2 angezeigt. Eine durch ein V/Q-Missverhältnis verursachte Hypoxämie, wie sie bei COPD auftritt, lässt sich relativ leicht korrigieren, so dass nur vergleichsweise geringe Mengen an zusätzlichem Sauerstoff (weniger als 3 l/min bei der Mehrzahl der Patienten) für die LTOT erforderlich sind. Obwohl Hypoxämie normalerweise die Ventilation anregt und Dyspnoe hervorruft, sind diese Phänomene und die anderen Symptome und Anzeichen einer Hypoxie bei COPD-Patienten so unterschiedlich, dass sie für die Beurteilung des Patienten nur von begrenztem Wert sind. Chronische alveoläre Hypoxie ist der Hauptfaktor, der zur Entwicklung eines Cor pulmonale – einer rechtsventrikulären Hypertrophie mit oder ohne offenkundiges rechtsventrikuläres Versagen – bei Patienten mit COPD führt. Die pulmonale Hypertonie beeinträchtigt das Überleben von COPD-Patienten in einem Maße, das dem Grad der Erhöhung des mittleren Pulmonalarteriendrucks in der Ruhephase entspricht. Obwohl der Schweregrad der Atemwegsobstruktion, gemessen an FEV1, am besten mit der Gesamtprognose von COPD-Patienten korreliert, erhöht eine chronische Hypoxämie die Mortalität und Morbidität bei jedem Schweregrad der Erkrankung. Groß angelegte Studien zur Langzeitsauerstofftherapie bei COPD-Patienten haben eine Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen den täglichen Sauerstoffstunden und der Überlebensrate gezeigt. Es besteht Grund zu der Annahme, dass eine kontinuierliche Sauerstoffzufuhr von 24 Stunden pro Tag bei entsprechend ausgewählten Patienten einen noch größeren Überlebensvorteil bringen würde als in den NOTT- und MRC-Studien gezeigt.