1）物理溶解氧增多
常压下呼吸空气，空气中的氧从肺泡经肺泡和毛细血管壁的膜性屏障扩散如血液，绝大部分与血红蛋白结合成氧合血红蛋白，仅一部分溶于血中（每100毫升血中溶解氧仅0.3毫升）。根据亨利定律，气体向液体中扩散（物理溶解）是与气体的压力成正比。机体处在高压氧下，由于氧分压很高，因此高分压氧有肺泡向血液及体液的扩散方式主要是物理溶解，在2.5~3atm下吸纯氧，每100毫升血中溶解氧量从常压下吸空气的0.3毫升提高到5.6毫升以上，增加近20倍左右，动脉血氧张力升至1770毫米汞柱（235.9千帕）。体内物理溶解氧增高到已满足机体对氧的需求。
高压氧下物理溶解氧增加后的意义在于实现了生命的无血生存。高压氧下血红蛋白结合的氧离解极少，甚至完全不离解。实验证实，在高压氧下，当机体血红蛋白减少至几乎为零时，心电图仍无任何缺氧征象，提示在高压氧治疗条件下即使没有血红蛋白，仍可暂时维持有血生物生存。而且物理溶解氧是跑在红细胞前面的氧，因此对缺血而不缺组织液性缺氧有独到的疗效。
2）组织储氧量增加
氧不断地从血液到达组织细胞，细胞不断地消耗氧，在此动态平衡过程中组织内经常保持着一定的余氧量，这就是组织的储氧量。在常温常压下，平均1千克组织的储氧量约为13毫升，正常情况下平均每千克组织耗氧量为3~4毫升/分钟。按理论计算，循环阻断的安全时限为13÷（3-4）=3~4分钟。在3atm下吸纯氧时，平均每千克组织的氧储量增至53毫升，此时循环阻断的安全时限可延长到8~12分钟。
实验证明，在低温下组织细胞的耗氧量减少，安全断血时间更长，组织氧储量更为增加。若体温降低5℃，血中物理溶解氧量增加10%，心肌耗氧量降低20%，脑的耗氧量降低近50%。故高压氧配合低温，循环阻断的安全时限可进一步延长，从而为心脏手术创造条件。
3）增加氧的弥散率和有效弥散距离
氧的弥散率和有效弥散距离，即氧的穿透力取决于扩散区与被扩散区氧张力的梯度大小。高压氧可使肺泡与血液间、血液与组织细胞间的氧张力梯度大大增加，由于氧张力梯度大，所以氧的扩散速度快、氧的弥散率和有效弥散距离大（即氧的穿透力大
在常压下，每分钟从肺泡弥散入血的氧量为900~1200毫升；在常压下血液中氧的有效弥散半径为30 微米；在高压氧下血液中氧的有效弥散半径可达100微米以上。高压氧治疗的许多独特治疗作用是由于氧的穿透力增加所致。氧的穿透力增加有利于纠正血流障碍或血管阻塞所造成的组织细胞性缺氧。局限性组织或细胞水肿时，缺氧与水肿可形成恶性循环，常压氧因不能通过水肿区而很难生效，高压氧则具有独特的作用，增加了物理溶解氧，有较强的穿透力，因而对组织缺血梗死有较好的治疗作用，可使组织缺血梗死的半暗带复活，从而缩小梗死范围。
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