با اینکه اکسیژنِ مکمل در بسیاری از موقعیت‌های کلینیکی ارزشمند است، مقدار اضافیِ این گاز حیاتی می‌تواند زیان‌آور باشد. بر اساس مطالعاتی که روی جانوران و انسان انجام شده، غلظت‌های بالای اکسیژن تنفسی می‌تواند طیفی از آسیب‌های ریوی، از تراکئوبرونشیت خفیف گرفته تا آسیب آلوئلی انتشاری (DAD) را سبب شود. مورد آخر از لحاظ بافت‌شناسی قابل تمایز از سندرم زجر تنفسی حاد نیست. مکانیسم و نتایج بالینی مسمومیت با اکسیژن در این مطلب مورد بازبینی قرار گرفته است.
اتفاقاتی که با تنفس اکسیژن ۱۰۰% در فشار نرمال در بدن انسان رخ می‌دهد، شامل موارد زیر می‌باشد:
- انباشت مایع در ریه‌ها
- کاهش جریان گاز از عرض حبابچه‌ها؛ فرد برای رسیدن اکسیژن کافی به سلول‌ها باید بیشتر نفس بکشد.
- درد قفسه‌ی سینه هنگام تنفس عمیق
- حجم کلی هوای قابل‌تعویض در ریه ۱۷% کاهش می‌یابد.
- موکوس در نواحی روی هم خوابیده‌ی حبابچه‌ها مسیر را مسدود می‌کند (عارضه‌ای به نام آتلکتازی) اکسیژن به دام افتاده در نواحی مسدودشده جذب خون شده و گازی برای متورم نگه داشتن حبابچه‌ها باقی نمی‌ماند و روی هم می‌خوابند. این موقعیت در شرایط عادی هم اتفاق می‌افتد ولی با سرفه کردن رفع می‌گردد و علاوه بر آن نیتروژن موجود در هوای جو حبابچه‌ها را پر نگه می‌دارد.
افزایش غلظت اکسیژن (هایپراُکسی) تاکنون به صورت دقیق توصیف نشده است ولی زمانی اتفاق می‌افتد که کسری از اکسیژن تنفسی بیشتر از ۲۱% فشار اکسیژنِ اتمسفر باشد. اتفاقات ناسازگار شاید در نتیجه‌ی افزایش فشار اکسیژن در حبابچه‌های ریه، خون یا در سطح سلولی رخ دهند. این عارضه به نظر میرسد با افزایش تولید واسطه‌های واکنشی اکسیژن موجب آسیب سلولی شود.
مولکول‌هایی که می‌توانند تولید شوند عبارتند از آنیون سوپراکسید، رادیکال هیدروکسیل و هیدروژن‌پراکسید. زمانی که تولید این مولکول‌ها افزایش و/یا دفاع سلول در مقابل آنتی‌اکسیدان‌ها تقلیل می‌یابد، واسطه‌های اکسیژنی می‌توانند واکنش داده و موجب اختلال در عملکرد ماکرومولکول‌های ضروری درون‌سلولی شوند که در نهایت به مرگ سلولی خواهد انجامید.
رادیکال‌های آزاد اکسیژن ممکن است علاوه بر اثرات نامبرده پاسخ التهابی زیان‌آوری را هم به وجود بیاورند که به آسیب بافتی ثانویه و/یا آپوپتوز (مرگ برنامه‌ریزی‌شده) می‌انجامد. بیشتر اطلاعاتی که از آسیب‌های مذکور در دست است از مطالعات روی موش‌های ترانس‌ژنیک با فعالیت دیسموتاز نشان‌داده‌شده‌ی سوپراکسید بدست آمده. این آزمایش‌ها آسیب‌های عصبی و قلبی شدیدی را در اثر صدمات بیش از حد به میتوکندری نشان می‌دهند.
سلول‌های مجاری هوایی در نزدیکی جریان هوا و درون حبابچه‌های ریوی در معرض بیشترین خطرات در اثر مسمومیت سلولی هایپرکسیک قرار دارند. این عارضه همچنین می‌تواند قابلیت ابتلا به پلاگینگ موکوسی، آتلکتازی و عفونت ثانویه را نیز افزایش دهد.
