Fyziologickým základem hyperbarické kyslíkové terapie (HBOT) je zvýšení frakce rozpuštěného kyslíku v plazmě. Kyslík se vyskytuje v krvi ve dvou formách. Jednak chemicky vázán na hemoglobin a nebo fyzicky rozpuštěn v plazmě. Při dýchání vzduchu při normálním tlaku, tj. 101 kPa, je hemoglobin nasycen maximálně 97%. Nasycení hemoglobinu se zvyšuje se zvyšující se parciálním tlakem kyslíku podle disociační křivky. Naproti tomu podíl fyzikálně rozpuštěného kyslíku v plazmě se lineárně zvyšuje v množství 0, 003 ml/ torr/ 100 ml krve v závislosti na částečném kyslíku. Je to koeficient rozpustnosti kyslíku v plazmě. 100% - nasycení hemoglobinu je dosaženo na PaO2 asi 20 kPa. Proto jakékoli další zvýšení tlaku kyslíku již neovlivňuje nasycení hemoglobinu. Na druhou stranu, jak se zvyšuje tlak kyslíku, zvyšuje se množství kyslíku fyzicky rozpuštěného v plazmě.
Hyperbarická oxygenoterapie pomáhá korigovat hypoxický stav zvýšením antimikrobiální aktivity vedoucí k dodávce kyslíku a útlumem účinků zprostředkovaných faktorem indukujícím hypoxii.