Hypoxi föreligger när det finns en minskad mängd syre i kroppens vävnader. Hypoxemi avser en minskning av PO2 under det normala intervallet, oavsett om gasutbytet är nedsatt i lungorna, CaO2 är adekvat eller om vävnadshypoxi föreligger. Det finns flera potentiella fysiologiska mekanismer för hypoxemi, men hos patienter med KOL är den dominerande mekanismen V/Q-missmatchning, med eller utan alveolär hypoventilation, vilket indikeras av PaCO2. Hypoxemi orsakad av V/Q-missmatchning som ses vid KOL är relativt lätt att korrigera, så att endast jämförelsevis små mängder extra syrgas (mindre än 3 l/min för majoriteten av patienterna) krävs för LTOT. Även om hypoxemi normalt stimulerar ventilationen och ger upphov till dyspné, är dessa fenomen och andra symtom och tecken på hypoxi tillräckligt varierande hos patienter med KOL för att vara av begränsat värde vid patientbedömning. Kronisk alveolär hypoxi är den viktigaste faktorn som leder till utveckling av cor pulmonale – högerkammarhypertrofi med eller utan uppenbar högerkammarsvikt – hos patienter med KOL. Pulmonell hypertoni har en negativ inverkan på överlevnaden vid KOL, i en omfattning som är parallell med graden av förhöjt medeltryck i lungartären i vila. Även om svårighetsgraden av luftflödesobstruktion, mätt med FEV1, är den bästa korrelationen med den allmänna prognosen hos patienter med KOL, ökar kronisk hypoxemi dödligheten och sjukligheten oavsett svårighetsgrad av sjukdomen. Storskaliga studier av LTOT hos patienter med KOL har visat att det finns ett dos-responsförhållande mellan daglig syrgasanvändning och överlevnad. Det finns anledning att tro att kontinuerlig syrgasanvändning 24 timmar per dag hos lämpligt utvalda patienter skulle ge en överlevnadsfördel som är ännu större än den som visades i NOTT- och MRC-studierna.