原發自發性氣胸起因于胸膜下的肺大泡破裂，常位于肺尖，患者多為瘦長體型。Withers等對一批新兵調查發現，發生氣胸者的平均身高和體重普遍比其他新兵高5cm和輕11kg（25磅）。肺尖部肺泡承受的平均張力較大，從而導致胸膜下肺大泡形成。吸煙者容易發生原發自發性氣胸。亦有報道證明，原發自發性氣胸有家族性傾向，HLA單純型A2、B40者更容易發生氣胸。在正常情況下，肺靜息功能殘氣量（FRC）占肺活量的36%，壓力總是比胸膜腔高，如果肺泡和胸膜腔之間發生交通，氣體將從肺泡進入胸膜腔，壓力梯度消失則氣體交通停止。健康人能較好地耐受肺活量降低，如肺功能在氣胸之前已遭到損害，肺活量的降低則可能導致肺泡換氣不足和呼吸性酸中毒等。動物研究表明，氣胸時，肺灌注沒有相應改變，但同側肺通氣減少導致氣胸側通氣/血流灌注比例降低。由氣胸引起的PaO2平均水平從12.8kPa（96mmHg）降到6.8kPa（51mmHg），肺膨脹后PaO2可立即恢復到原來水平；但在人類，PaO2恢復則需要較長時間，通常需30～90min。氣胸消失后肺內分流改變的速度亦與氣胸病程長短有關。