CO与血红蛋白的结合能力是氧的20-30倍，分离能力是氧的3600分之1。一氧化碳进入血液，将长期占据氧气的位置，导致大脑急性和长期缺氧。
CO中毒后首先累及中枢神经系统，对大脑皮层的白质和苍白球等最为严重。在病理上表现为脑血管先痉挛后扩张，通透性增加，出现脑水肿和不同程度的局灶性软化坏死，临床出现颅内压增高甚至脑疝，危及生命。
脑缺血和脑水肿可继发脑循环障碍，造成“急性一氧化碳中毒神经系统后遗症”，出现肢体瘫痪、震颤麻痹、周围神经炎、自主神经功能紊乱、发作性头痛、精神障碍，甚至癫痫等。
重度中毒者，其神经系统损害发病率几乎100%。