Årsager kan omfatte hjertesvigt, nyresvigt, narkotisk forgiftning og forhøjet intrakranielt tryk. Patofysiologien ved Cheyne-Stokes vejrtrækning kan sammenfattes som apnø, hvilket fører til øget CO2, som forårsager overdreven kompenserende hyperventilering, hvilket igen medfører nedsat CO2, der forårsager apnø, hvilket genstarter cyklussen.
Ved hjertesvigt er mekanismen for svingning er ustabil feedback i åndedrætssystemet. Ved normal åndedrætskontrol giver negativ feedback mulighed for at opretholde et stabilt niveau af alveolære gaskoncentrationer og derfor stabile vævsniveauer af ilt og kuldioxid (CO2). I steady state er produktionshastigheden for CO2 lig med nettohastigheden, hvormed den udåndes fra kroppen, hvilket (forudsat at der ikke er CO2 i den omgivende luft) er produktet af den alveolære ventilation og CO2-koncentrationen ved tidevand. På grund af dette indbyrdes forhold danner sættet af mulige stabile tilstande en hyperbola:
Alveolær ventilation = krops-CO2-produktion / end-tidevand CO2-fraktion.
I nedenstående figur er dette forhold kurven, der falder fra øverst til venstre til nederst til højre. Kun positioner langs denne kurve gør det muligt at kompensere for kroppens CO2-produktion nøjagtigt ved udånding af CO2. I mellemtiden er der en anden kurve, vist i figuren for at gøre det nemmere som en lige linje fra nederst til venstre til øverste højre, som er kroppen “ventilationsrespons på forskellige niveauer af CO2. Hvor kurverne krydser, er den potentielle steady state (S).
Gennem respiratoriske kontrolreflekser fører ethvert lille forbigående fald i ventilation (A) til en tilsvarende lille stigning (A “) i alveolær CO2-koncentration, som er registreret af åndedrætssystemet, så der er en efterfølgende lille kompenserende stigning i ventilation (B) over dets steady state niveau (S), der hjælper med at gendanne CO2 tilbage til dets steady state-værdi. Generelt er forbigående eller vedvarende forstyrrelser i ventilation, CO2 eller iltniveauer kan modvirkes af åndedrætsstyringssystemet på denne måde.
I nogle patologiske tilstande er feedbacken dog mere kraftfuld, end det er nødvendigt for blot at returnere systemet til dets steady state. I stedet for ventilation overskyder og kan generere en modsat forstyrrelse af den oprindelige forstyrrelse. Hvis denne sekundære forstyrrelse er større end originalen, vil det næste svar blive endnu større og så videre, indtil der er udviklet meget store svingninger, som vist i figuren nedenfor.
Cyklus for forstørrelse af forstyrrelser når en grænse, når successive forstyrrelser ikke længere er større, hvilket opstår, når fysiologiske reaktioner ikke længere stiger lineært i forhold til stimulusens størrelse. Det mest oplagte eksempel på dette er, når ventilationen falder til nul: den kan ikke være lavere. Således kan Cheyne – Stokes respiration opretholdes over perioder på mange minutter eller timer med et gentagne mønster af apnøer og hyperpnøer.
Slutningen af det lineære fald i ventilation som reaktion på fald i CO2 er dog ikke ved apnø. Det sker, når ventilationen er så lille, at luft, der indåndes, aldrig når det alveolære rum, fordi det inspirerede tidevandsvolumen ikke er større end volumenet af de store luftveje, såsom luftrøret. Derfor kan ventilationen af det alveolære rum være nul ved en åben vejrtrækning ved periodisk vejrtrækning; den let observerbare modstykke til dette er manglende på det tidspunkt af tidevandsgaskoncentrationerne til at ligne realistiske alveolære koncentrationer.
Mange potentielle medvirkende faktorer er blevet identificeret ved klinisk observation, men desværre er de alle sammenkoblet og co-variere meget. Almindeligt accepterede risikofaktorer er hyperventilation, forlænget cirkulationstid og reduceret blodgas-bufferkapacitet.
De er fysiologisk indbyrdes forbundne ved, at (for enhver given patient) cirkulationstid falder, når hjertevolumen øges. Ligeledes er alveolær ventilation for en given samlet krops-CO2-produktionshastighed omvendt proportional med CO2-koncentrationen ved tidevand (da deres gensidige produkt skal svare til den samlede krops-CO2-produktionshastighed). Chemoreflex-følsomhed er tæt knyttet til positionen for steady state, for hvis chemoreflex-følsomhed øges (alt andet lige), vil steady-state-ventilationen stige, og steady-state CO2 vil falde. Fordi ventilation og CO2 er lette at observere, og fordi de ofte måles kliniske variabler, der ikke kræver, at der udføres noget særligt eksperiment for at observere dem, er abnormiteter i disse variabler mere tilbøjelige til at blive rapporteret i litteraturen. Imidlertid kan andre variabler, såsom kemorefleksfølsomhed, kun måles ved specifikt eksperiment, og derfor vil abnormiteter i dem ikke findes i rutinemæssige kliniske data. Når det måles hos patienter med Cheyne – Stokes respiration, kan hypercapnic respirationsrespons muligvis hæves med 100% eller mere.Når det ikke måles, kan dets konsekvenser – såsom en lav gennemsnitlig PaCO2 og forhøjet gennemsnitlig ventilation – undertiden synes at være det mest fremtrædende træk.