原发自发性气胸起因于胸膜下的肺大泡破裂，常位于肺尖，患者多为瘦长体型。Withers等对一批新兵调查发现，发生气胸者的平均身高和体重普遍比其他新兵高5cm和轻11kg（25磅）。肺尖部肺泡承受的平均张力较大，从而导致胸膜下肺大泡形成。吸烟者容易发生原发自发性气胸。亦有报道证明，原发自发性气胸有家族性倾向，HLA单纯型A2、B40者更容易发生气胸。在正常情况下，肺静息功能残气量（FRC）占肺活量的36%，压力总是比胸膜腔高，如果肺泡和胸膜腔之间发生交通，气体将从肺泡进入胸膜腔，压力梯度消失则气体交通停止。健康人能较好地耐受肺活量降低，如肺功能在气胸之前已遭到损害，肺活量的降低则可能导致肺泡换气不足和呼吸性酸中毒等。动物研究表明，气胸时，肺灌注没有相应改变，但同侧肺通气减少导致气胸侧通气/血流灌注比例降低。由气胸引起的PaO2平均水平从12.8kPa（96mmHg）降到6.8kPa（51mmHg），肺膨胀后PaO2可立即恢复到原来水平；但在人类，PaO2恢复则需要较长时间，通常需30～90min。气胸消失后肺内分流改变的速度亦与气胸病程长短有关。