チェーンストークス呼吸が現れる決定的な理由は、「脳幹にある呼吸中枢の二酸化炭素（CO2）に対する過敏反応」と「血液循環の遅延」の組み合わせにあります。通常、人間の呼吸は血液中の二酸化炭素濃度を脳がリアルタイムに感知し、呼吸の深さや速さをミリ秒単位で微調整することで一定に保たれています。
しかし、重篤な疾患により心臓のポンプ機能が低下したり脳組織が障害を受けると、肺でガス交換された血液が脳に到達するまでに通常以上の時間がかかります。このタイムラグ（循環遅延）が発生すると、脳は「血液中のCO2が増えすぎている」と遅れて判断し、激しい換気（過呼吸）を指示します。すると今度はCO2が過剰に排出されて血中濃度が下がりすぎ、脳が「呼吸を止めてよい」と判断して無呼吸状態に陥るのです。この換気と無呼吸が約30秒から2分の周期で繰り返されるのが、チェーンストークス呼吸の根本的な発生メカニズムです。
臨床現場におけるチェーンストークス呼吸原因の内訳をみると、代表的なものは以下の3点に集約されます。
- 重症心不全：心拍出量の低下に伴う循環時間の延長、および肺うっ血刺激による呼吸中枢の過敏化。
- 脳血管障害（脳卒中・脳腫瘍）：大脳半球や間脳、脳幹上部が損傷を受け、自律的な呼吸調節フィードバックが破綻することによる発症。
- 終末期の生体機能低下：臨死期における多臓器不全および中枢神経機能の不可逆的な減衰。
