貧血時患者體內會發生一系列病理生理變化，有些是貧血造成組織缺氧的直接結果，有些則是對缺氧的生理代償反應。
(1)組織缺氧 紅細胞是攜氧和運氧的工具，每1克血紅蛋白能與1.3毫升氧結合。它的主要功能是將氧從肺運輸到全身組織，並將組織中二氧化碳輸送到肺，由肺排出。貧血時，血液總的攜氧能力降低，輸送至組織的氧因而減少，如果這時機體沒有代償作用或代償功能不足，必然會使部分組織缺氧，從而影響各個器官，出現一些症狀、體徵，如最早出現疲倦、軟弱、精神萎靡，四肢無力等症狀。
各器官、組織功能障礙的程度主要決定於它們需氧量的程度，中樞神經系統、心臟和骨骼肌需氧比較高，缺氧的症狀也就特別明顯。
(2)生理性代償反應 在組織缺氧的情況下，機體能發揮一些生理代償機制，使其更充分地利用血紅蛋白中的氧，恢復正常功能。代償機制有：增加血紅蛋白中氧的釋放；增加心臟輸出量和加速血液循環；血液總量維持；器官、組織中血流的重新分佈；紅細胞增生增多等。
