Karbonmonoksit zehirlenmesi durumunda hücresel düzeyde oksijenin hücre içine alınımı ve kullanımı bozulur. Bu durumdan da beyin ve kalp gibi oksijen ihtiyacının en fazla olduğu organlar etkilenir.
Hücresel oksijen alımı şu nedenle bozulur: Hücrelere oksijen taşıyan, kanımızda bulunan hemoglobin molekülüne karbonmonoksit, oksijene göre 230-270 kat daha yüksek hızla bağlanır ve karboksihemoglobin denilen, korbonmonoksitin bağlı olduğu, oksijen içermeyen hemoglobin molekülleri oluşur . Az miktarda karbonmonoksit bile çok yüksek hızla bağlandığı için, çok miktarda karboksihemoglobin oluşumuna sebep olabilir.
Karbonmonoksit molekülleri, ayrıca kalp kasındaki miyoglobüline bağlanarak kalbin gücünü düşürür ve tansiyon düşüklüğüne yol açarak dokuların oksijenlenmesini azaltır.