Syynä voi olla sydämen vajaatoiminta, munuaisten vajaatoiminta, huumemyrkytys ja kohonnut kallonsisäinen paine. Cheyne – Stokes -hengityksen patofysiologia voidaan tiivistää apnoeksi, joka johtaa lisääntyneeseen hiilidioksidipäästöön, mikä aiheuttaa liiallista kompensoivaa hyperventilaatiota, mikä puolestaan aiheuttaa alentunutta CO2: ta, joka aiheuttaa apneaa ja aloittaa syklin uudelleen.
Sydämen vajaatoiminnassa värähtely on epävakaa palaute hengityksen ohjausjärjestelmässä. Normaalissa hengityskontrollissa negatiivinen palaute sallii alveolaarikaasupitoisuuksien vakaan tason ylläpitämisen ja siten vakaan kudoksen happi- ja hiilidioksiditason (CO2). Vakaassa tilassa hiilidioksidin tuotantonopeus on yhtä suuri kuin nettotaajuus, jolla se hengitetään kehosta, joka (olettaen, ettei CO2: ta ole ympäröivässä ilmassa) on alveolaarisen ilmanvaihdon ja loppuveden CO2-pitoisuuden tulo. Tämän keskinäisen suhteen vuoksi mahdollisten vakaan tilan joukko muodostaa hyperbolan:
Alveolaarinen ilmanvaihto = kehon CO2-tuotanto / loppuvesi-CO2-jae.
Alla olevassa kuvassa tämä suhde on käyrä, joka putoaa ylhäältä vasemmalta oikeaan alakulmaan. Ainoastaan tämän käyrän kohdalla kehon hiilidioksidituotanto voidaan kompensoida tarkasti CO2: n uloshengityksellä. Samaan aikaan on olemassa toinen käyrä, joka on esitetty kuvassa yksinkertaisuuden vuoksi suorana viivana vasemmalta alhaalta oikealle, mikä on keho ”hengitysvaste erilaisille hiilidioksiditasoille. Missä käyrät ylittävät potentiaalisen vakaan tilan (S).
Hengityselinten refleksien kautta mahdollinen pieni ohimenevä ilmanvaihdon lasku (A) johtaa vastaavaan pieneen nousuun (A ”) alveolaarisessa CO2-pitoisuudessa, joka on hengityksen ohjausjärjestelmän havaitsema, niin että ilmanvaihto (B) nousee sen jälkeen vakaan tilan tason (S) yläpuolelle, mikä auttaa palauttamaan CO2 takaisin vakaan tilan arvoonsa.Yleensä tilapäiset tai pysyvät ilmanvaihdon häiriöt, CO2 tai happitasoja voidaan vastustaa hengityselinten hallintajärjestelmällä tällä tavalla.
Joissakin patologisissa tiloissa palaute on kuitenkin tehokkaampaa kuin on tarpeen järjestelmän yksinkertaisen palauttamiseksi vakaan tilaan. Jos tämä toissijainen häiriö on suurempi kuin alkuperäinen, seuraava vaste on vielä suurempi, ja niin edelleen, kunnes hyvin suuret värähtelyt ovat kehittyneet, kuten kuvassa Alla oleva kuva.
Häiriöiden laajentumisjakso saavuttaa rajan, kun peräkkäiset häiriöt eivät ole enää suurempia, mikä tapahtuu, kun fysiologiset vasteet eivät enää kasva lineaarisesti ärsykkeen kokoon nähden. Ilmeisin esimerkki tästä on, kun ilmanvaihto laskee nollaan: se ei voi olla alempi. Näin ollen Cheyne – Stokes-hengitys voidaan ylläpitää monien minuuttien tai tuntien ajan toistuvien apnea- ja hyperpnea-kuvioiden avulla.
Ilmanvaihdon lineaarisen vähenemisen loppu vastauksena CO2-putoamiselle ei kuitenkaan ole apneassa. Se tapahtuu, kun ilmanvaihto on niin pieni, että sisään hengitettävä ilma ei koskaan saavuta alveolaarista tilaa, koska innoittama vuorovesi ei ole suurempi kuin suurten hengitysteiden, kuten henkitorven, tilavuus. Siksi jaksollisen hengityksen alimmalla tasolla alveolaarisen tilan tuuletus voi olla tosiasiallisesti nolla; tämän helposti havaittavissa oleva vastine on vuoroveden kaasupitoisuuksien tuolloin epäonnistuminen vastaamaan realistisia alveolaarisia pitoisuuksia.
Kliinisissä havainnoissa on tunnistettu monia potentiaalisia myötävaikuttavia tekijöitä, mutta valitettavasti ne kaikki ovat yhteydessä toisiinsa ja vaihdella laajasti. Laajasti hyväksyttyjä riskitekijöitä ovat hyperventilaatio, pitkittynyt verenkiertoaika ja vähentynyt verikaasupuskurointikyky.
Ne ovat fysiologisesti yhteydessä toisiinsa siten, että (jokaiselle potilaalle) verenkiertoaika lyhenee sydämen tuotannon kasvaessa. Samoin kaikilla kehon kokonaistuotantomäärillä alveolaarinen ilmanvaihto on kääntäen verrannollinen loppuveden CO2-pitoisuuteen (koska niiden keskinäisen tuotteen on oltava yhtä suuri koko kehon CO2-tuotannon nopeus). Chemoreflex-herkkyys liittyy läheisesti vakaan tilan asemaan, koska jos kemoreflex-herkkyys kasvaa (muut asiat ovat yhtä suuret), vakaan tilan ilmanvaihto kasvaa ja vakaan tilan CO2 laskee. Koska ilmanvaihtoa ja CO2: ta on helppo havaita ja koska ne ovat yleisesti mitattuja kliinisiä muuttujia, jotka eivät vaadi mitään erityisiä kokeita niiden havaitsemiseksi, poikkeavuuksia näissä muuttujissa ilmoitetaan todennäköisemmin kirjallisuudessa. Muita muuttujia, kuten kemorefleksiherkkyys, voidaan kuitenkin mitata vain tietyllä kokeella, ja siksi niiden poikkeavuuksia ei löydy rutiinitiedoista. Mitattuna potilailla, joilla on Cheyne – Stokes-hengitys, hyperkapninen ventilaatiovaste voi nousta 100% tai enemmän.Jos sitä ei mitata, sen seuraukset – kuten matala keskimääräinen PaCO2 ja kohonnut keskimääräinen ilmanvaihto – voivat joskus näyttää olevan merkittävin piirre.