豚鼠接觸一定濃度的二氧化氮，可引起堿性磷酸酶和乳酸脫氫酶活性增髙，結構內蛋白的組成發生變化，也均與二氧化氮肺毒性的發病機製有關。此外，接觸一定濃度的二氧化氮尚可增加膠原纖維的合成，導致肺纖維化，同時也影響彈性纖維的組成。由於二氧化氮的毒作用可抑製呼吸道黏膜纖毛運轉功能、損傷巨噬細胞膜的完整性，影響淋巴細胞在多種免疫作用之間的相耳反應，如丁-淋巴細胞群在接觸一定濃度的二氧化氮，可出現體&抗體應答抑製，高濃度也引起其他免疫係統的效應，從而削弱或破壞肺的防禦功能和解毒作用，這些都是導致發病的重要因素。上述病變的發生，在生化學方麵的改變，主要可能由於：
肺泡上皮細胞的某些酶受到抑製，甚至失活，其中包括葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、膜結合酶及乳酸脫氫酶，以致擾亂正常的細胞代謝；
細胞膜脂蛋白受到過氧化作用後，可影響附著的蛋白質部分使其組成發生改變；
影響膠原纖維和彈性纖維的形成。
氮氧化物中以一氧化氮組分為主時，其代謝產物亞硝酸鹽可致高鐵血紅蛋白血症，血管擴張，患者出現明顯紫紺、低血壓、呼吸困難，以及中樞神經係統損害。但由於一氧化氮很易氧化為二氧化氮，故多以肺損害為主。
發病機製除直接由於氮氧化物急性中毒造成的肺損傷外，中性粒細胞、巨噬細胞釋放蛋白酶和氧自由基參與引起肺損傷，中性粒細胞中的彈性蛋白酶以及前列腺素類物質也可損傷肺組織。肺泡中發現由纖維蛋白組成的透明膜，肺小動脈和毛細血管中有纖維蛋白栓塞，血漿中纖維蛋白義纖維蛋白原分解增多，血管內並有血小板凝集和微血栓存在，這些現象說明凝血過程參與發病機製。有報道補體係統激活和支氣管肺泡中腫瘤壞死因子濃度增高，也都參與發病機製。其中凝血和纖溶在發病中的作用，是應該重視的因素。
阻塞性細支氣管炎主要由於支氣管周圍炎發生機化，導致管腔閉塞所致。
關於氮氧化物致癌性的研究，理論上認為氮氧化物可與體內氨基反應生成亞硝胺，將離體肺組織直接暴露於較髙濃度氮氧化物後，可在肺組織中測到亞硝胺，曆時1.5年，雖見終末支氣管出現增生性改變，而未見肺部腫瘤。故目前尚無證據表明氮氧化物有致癌性。
（臨床表現）
（一）急性中毒
氮氧化物急性吸入隨其濃度和接觸時間的不同，可出現不同程度的中毒臨床表現。潛伏期最短可以不到1小時，最長可達72小時，一般多在8小時內發病。氮氧化物水溶性較低，吸入後主要作用於深部呼吸道，形成遊離氫和羥基，產生的亞硝酸和硝酸引起呼吸係統的損害。氮氧化物氣體急性吸入初期往往有一過性的胸悶、咳嗽，X線胸片檢查無異常。經過一定潛伏期後病情發展，可致化學性氣管炎、化學性肺炎及肺水腫，肺水腫的恢複期可出現遲發性阻塞性細支氣管炎，少數患者在吸入氮氧化物氣體後，無急性中毒臨床表現，而在第2~3周內出現阻塞性細支氣管炎。
急性中毒出現眼角膜及晶體損害者少見。
急性中毒按臨床表現及X線胸片改變，中毒程度可分為以下四級。
1.觀察對象有氮氧化物吸入史，臨床表現僅有一過性胸悶、咳嗽，X線胸片檢查無異常。
2.輕度中毒患者有胸悶、氣急、嗆咳、咳嗽等呼吸道刺激症狀，可伴有輕度頭痛、頭暈、乏力、心悸、惡心等不適。肺部散在幹囉音。X線胸片示肺紋理增多、增粗、邊緣模糊。
3.中度中毒出現胸部緊迫感，呼吸困難，咳嗽較劇、咳痰或血絲痰，全身症狀加重，並可出現紫紺，兩肺有幹囉音或散在濕囉音。X線胸片示肺野透亮度降低，肺紋理增多、紊亂、模糊呈網狀，可有局部或散在的點片狀陰影，或相互融合的斑片狀陰影，邊緣模糊，可呈現支氣管肺炎及間質性肺水腫征象。
4.重度中毒具有下列臨床表現之一者，可診斷為重度中毒。
肺水腫：呼吸困難和咳嗽加重，水腫液進入肺泡及遠端氣道，可出現憂慮不安、麵色蒼白，呼吸迫促，咳大量白色或粉紅色泡沫痰，明顯紫紺，兩肺有幹濕囉音。X線胸片示兩肺滿布密度較低、邊緣模糊的斑片狀陰影或呈大小不等的雲絮狀陰影，有的相互融合成大片狀陰影，或呈典型的蝶狀陰影。通氣不足時則有嚴重缺氧和二氧化碳瀦留，在吸入大於50%高濃度氧的情況下，動脈血氧分壓低於病情進一步發展，在急性中毒24~48小時後，患者在滲出性肺水腫的基礎上可發生肺損傷嚴重，呼吸窘迫、頻數，呼吸可達50次每分左右，心動過速，紫紺，出現以進行性呼吸窘迫和難以糾正的低氧血症為特征的急性呼吸衰竭。較長時間吸入高濃度氮氧化物者，可在短時間內出現嚴重的肺水腫。
昏迷或窒息，或出現較重程度的氣胸、縱隔氣腫。
心、腎功能衰竭。
遲發性阻塞性細支氣管炎肺水腫恢複期或在吸入氮氧化物後並無急性中毒症狀，而於第2~3周內突然發生咳嗽、胸悶、進行性呼吸困難、發熱、明顯紫紺、兩肺有幹囉音或細濕囉音。白細胞增多。X線胸片示兩肺滿布粟粒狀結節陰影，結節陰影大小不等，也可融合成片。
（二）慢性中毒
長期接觸低濃度氮氧化物的慢性毒作用影響，可有上呼吸道刺激症狀，引起慢性喉炎、慢性支氣管炎等臨床表現。
（實驗室檢查）
1.周圍血象血紅蛋白、紅細胞可因血容量不足、血液濃縮、或因缺氧出現代償性增高；中毒初期白細胞可呈反應性增高，以後如並發感染，白細胞可明顯增高。重症患者有條件時可檢查凝血和纖溶的有關指標，以及血液髙鐵血紅蛋白含量。
2.尿生化測定有報道急性中毒早期尿中可出現大量羥基賴氨酸及其衍生物，示肺膠原纖維遭到大量破壞，其分解物經腎排出。
3.血氣分析通常顯示動脈血氧分壓降低，急性中毒初期由於通氣過度，常出現二氧化碳分壓降低，中毒後期因呼吸肌衰竭，通氣不足，二氧化碳分壓升高降低。
4.線胸片檢查顯示支氣管炎、支氣管周圍炎、肺炎和肺間質水腫及肺泡水腫征象。遲發性阻塞性細支氣管炎的X線胸片顯示兩肺滿布粟粒狀陰影，大小不等，也可融合。
5.心電圖檢查可因缺氧或中毒性心肌損害出現CT及波改變、心律失常，偶可出現短暫的肺性。
6.潮氣量，則需機械通氣。肺順應性和彌散功能降低，肺靜-動脈分流量增加，動脈血氧分壓顯著下降。急性中毒後期疑有肺間質纖維化者，則出現通氣阻力增加，潮氣量下降，一氧化碳彌散量降低，其他通氣指標也發生變化。
肺血管通透性和血流動力學測定如有條件可進行肺水腫液蛋白質測定，如水腫液蛋白質含量與血漿蛋白含量比值。
7.染料劑稀釋法測定肺血管外含水量是診斷比較敏感的指標，可用以判斷病情的程度、轉歸和療效，但需一定的設備條件。其它出現多髒器損害時，可作相應的有關實驗室指標檢查。
（鑒別診斷）
急性氮氧化物中毒的診斷，根據氮氧化物氣體吸入史、臨床表現、胸部X線檢查及有關實驗室指標，綜合分析，排除其它原因所致呼吸係統疾病，方可確診。在滲出性肺水腫的基礎上經一定潛伏期後突然出現進行性呼吸窘迫，呼吸頻數，明顯紫紺和嚴重的低氧血症即可診斷，有報道呼吸頻率28次7分，海平麵呼吸空氣氧，排除其它相似疾患後可診斷。多數患者呼吸頻率可在50次7分左右，低氧血症難以糾正。急性氮氧化物中毒患者，及時進行X線胸片檢查，有助於早期診斷肺水腫，控製病情發展。診斷過程中當X線胸片征象與臨床表現不一致時，可根據二者中較嚴重的結果作為診斷和處理依據，以免延誤治療。
氣胸、縱隔氣腫與皮下氣腫，多由於細支氣管或肺泡的上皮細胞脫落形成破裂而引起，氣體由縱隔上升可致頸部皮下氣腫，此類並發症大多在病程第3~5天左右發生，應與肺結核病引起自發性氣胸鑒別；有縱隔氣腫的病人，心前區可以聽到與心律一致的劈啪聲，易與心包炎的摩擦音相混淆，診斷時應注意鑒別。