法國生理學家克勞德·伯納德指出：一氧化碳中毒是一氧化碳與血紅蛋白（Hb）可逆性結合引起缺氧所致。一般認為，一氧化碳與血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力大230～270倍，能把血液內氧合血紅蛋白（HbO2）中的氧排擠出來，形成碳氧血紅蛋白。又由于碳氧血紅蛋白的離解比氧合血紅蛋白慢3600倍，故碳氧血紅蛋白較之氧合血紅蛋白更為穩定。
而碳氧血紅蛋白不僅本身無攜帶氧的功能，它的存在還影響氧合血紅蛋白的離解。研究表明，隨著碳氧血紅蛋白含量的逐漸增加，氧合血紅蛋白中氧的解離和組織內二氧化碳的輸出受到阻礙，最終導致組織缺氧和二氧化碳潴留，產生中毒癥狀。