Hipoxia există atunci când există o cantitate redusă de oxigen în țesuturile organismului. Hipoxemia se referă la o reducere a PO2 sub limitele normale, indiferent dacă schimbul de gaze este afectat în plămâni, dacă CaO2 este adecvată sau dacă există hipoxie tisulară. Există mai multe mecanisme fiziologice potențiale pentru hipoxemie, dar la pacienții cu BPOC cel predominant este nepotrivirea V/Q, cu sau fără hipoventilație alveolară, după cum indică PaCO2. Hipoxemia cauzată de nepotrivirea V/Q, așa cum se observă în BPOC, este relativ ușor de corectat, astfel încât sunt necesare doar cantități relativ mici de oxigen suplimentar (mai puțin de 3 L/min pentru majoritatea pacienților) pentru LTOT. Deși hipoxemia stimulează în mod normal ventilația și produce dispnee, aceste fenomene și celelalte simptome și semne de hipoxie sunt suficient de variabile la pacienții cu BPOC pentru a avea o valoare limitată în evaluarea pacientului. Hipoxia alveolară cronică este principalul factor care duce la apariția cor pulmonar – hipertrofie ventriculară dreaptă cu sau fără insuficiență ventriculară dreaptă evidentă – la pacienții cu BPOC. Hipertensiunea pulmonară afectează în mod negativ supraviețuirea în BPOC, într-o măsură paralelă cu gradul de creștere a presiunii medii în repaus a arterei pulmonare. Deși severitatea obstrucției fluxului de aer, măsurată prin FEV1, este cea mai bună corelație cu prognosticul general la pacienții cu BPOC, hipoxemia cronică crește mortalitatea și morbiditatea pentru orice severitate a bolii. Studiile pe scară largă privind LTOT la pacienții cu BPOC au demonstrat o relație doză-răspuns între orele zilnice de utilizare a oxigenului și supraviețuire. Există motive să se creadă că utilizarea continuă, 24 de ore pe zi, a oxigenului la pacienții selectați în mod corespunzător ar produce un beneficiu pentru supraviețuire chiar mai mare decât cel demonstrat în studiile NOTT și MRC.