重度一氧化碳中毒的患者会迅速出现昏迷、呼吸抑制、肺水肿、心律失常、心力衰竭，部分患者会合并吸入性的肺炎。
由于大脑的缺氧可并发脑水肿，以及上消化道应激性的溃疡出血，可遗留有偏瘫、失语、颅神经损伤的相关症状体征，以及会并发症状性的癫痫等精神神经的后遗症。
少数患者可以出现意识的障碍、去皮层的状态，部分患者会出现以痴呆或精神异常，与锥体外系为主要临床表现的症状，多为一氧化碳中毒并发的迟发性脑病。极少数患者甚至有可能因脑疝、休克及严重的感染，并发多脏器功能的衰竭而导致死亡。