Существует несколько эффектов, обуславливающих положительное влияние ГБО при региональной ишемии мозга: а) увеличение напряжение кислорода в тканях мозга, несмотря на уменьшение церебрального кровотока; б) уменьшение гиперемии в результате суживающего действия гипербарического кислорода на сосуды, находящиеся в состоянии максимальной дилятации; в) развитие в ответ на гипероксию синдрома «Робин Гуда», что приводит к улучшению кровообращения в ишемизированных зонах за счёт уменьшения кровотока в здоровых участках мозга с сохранной ауторегуляцией; г) вазоконстрикция церебральных сосудов, которая ведёт к уменьшению объёма мозга и, следовательно снижению внутричерепного давления.

С другой стороны, применение ГБО в клинике основано на повышении градиента Р2 между кровью капилляров и тканями, в основном за счёт физически растворённого в плазме кислорода.

Поступая в клетку, кислород включается в процессы митохондриального и микросомального окисления, связанные с образованием энергии, дезинтоксикацией и биосинтезом.