La incapacidad de los sistemas cardiovascular y pulmonar para mantener un intercambio adecuado de oxígeno y anhídrido carbónico en los pulmones; puede ser hipoxémica o ventilatoria. La insuficiencia de oxigenación se caracteriza pro hipoxemia refractaria y aparece en enfermedades que afectan a los alveolos o al tejido intersticial de los lóbulos pulmonares. La insuficiencia ventilatoria, se caracteriza por el aumento de la presión parcial arterial de anhídrido carbónico, se produce en situaciones agudas en las que la retención de secreciones pulmonares provoca un aumento de la resistencia en las vías respiratorias y una disminución de la distensibilidad pulmonar. La insuficiencia respiratoria en enfermedades pulmonares crónicas preexistentes puede verse precipitada por factores de estrés adicionales, como los asociados a insuficiencia cardíaca, cirugía, anestesia, o infecciones de las vías respiratorias altas. El tratamiento de la insuficiencia respiratoria incluye aclaramiento de las vías respiratorias mediante succión; broncodilatadores; traqueostomía o aplicación de sonda endotraqueal con soporte ventilatorio; antibióticos para las infecciones que suelen estar presentes; anticoagulantes para las tromboembolias pulmonares, y reposición de electrólitos en los desequilibrios de volemia. En algunos casos puede administrarse oxígeno; en otros, el gas reduce el reflejo respiratorio al eliminar el estímulo que supone un nivel de oxígeno disminuido.
En medicina y ciencia del deporte, se define como la afección en la que el sistema respiratorio es incapaz de cubrir por completo la demanda del cuerpo y no se puede suministrar más oxígeno ni eliminar todo el dióxido de carbono durante el ejercicio.