Hypoksiaa esiintyy, kun hapen määrä kehon kudoksissa on vähentynyt. Hypoksemia tarkoittaa PO2:n vähenemistä alle normaalin alueen riippumatta siitä, onko kaasunvaihto keuhkoissa heikentynyt, CaO2 riittävä tai esiintyykö kudoshypoksia. Hypoksemiaan on useita mahdollisia fysiologisia mekanismeja, mutta keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla vallitseva mekanismi on V/Q-epäsuhde, johon liittyy tai johon ei liity alveolaarista hypoventilaatiota, kuten PaCO2 osoittaa. V/Q-epätasapainon aiheuttama hypoksemia, jollaista esiintyy COPD:ssä, on suhteellisen helppo korjata, joten LTOT:ssa tarvitaan vain verrattain pieniä määriä lisähappea (alle 3 l/min suurimmalla osalla potilaista). Vaikka hypoksemia yleensä stimuloi ventilaatiota ja aiheuttaa hengenahdistusta, nämä ilmiöt ja muut hypoksian oireet ja merkit vaihtelevat keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla niin paljon, että niiden arvo potilaan arvioinnissa on vähäinen. Krooninen alveolihypoksia on tärkein tekijä, joka johtaa keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla keuhkoahtaumataudin kehittymiseen – oikean kammion hypertrofia, johon liittyy tai ei liity avointa oikean kammion vajaatoimintaa. Keuhkoverenpainetauti vaikuttaa haitallisesti keuhkoahtaumataudin eloonjäämiseen siinä määrin, että se on samassa suhteessa kuin keuhkovaltimon keskimääräinen lepopaine on koholla. Vaikka keuhkoahtaumatautia sairastavien potilaiden yleinen ennuste korreloi parhaiten FEV1:llä mitatun ilmavirtauksen esteen vaikeusasteen kanssa, krooninen hypoksemia lisää kuolleisuutta ja sairastuvuutta kaikissa taudin vaikeusasteissa. Keuhkoahtaumatautia sairastavilla potilailla tehdyt laajamittaiset LTOT-tutkimukset ovat osoittaneet annos-vastesuhteen päivittäisen hapenkulutuksen ja eloonjäämisen välillä. On syytä uskoa, että jatkuva, 24 tuntia vuorokaudessa tapahtuva hapen käyttö asianmukaisesti valituilla potilailla tuottaisi jopa suuremman eloonjäämishyödyn kuin NOTT- ja MRC-tutkimuksissa.