氮气本身并无明显毒性，但具有一定的脂溶性。随着氮气分压的升高，其溶解量也会随之增加，特别是容易溶解于富含脂类物质的神经组织中。氮气会导致神经细胞膨胀，并改变膜蛋白功能结构，从而干扰三磷酸腺苷的合成，抑制钠泵的作用。这些变化会导致神经细胞膜的兴奋障碍，从而产生麻醉作用。

高度压力下氮气的分压对脑功能有直接影响。氮气分压越高，症状的出现速度越快，严重程度也越高。这种情况通常发生在水下作业的深度超过30米时，根据氮气浓度的不同，可能出现兴奋增加、动作迟缓、注意力不集中、感觉迟钝、口唇麻木、眩晕、嗜睡、幻觉和恐怖感等症状，严重者可能会失去意识。

当潜水员从水下高压环境迅速转到常压环境时，原本溶解在血液和组织中的氮气会迅速气化，并形成氮气气泡。这些气泡会对神经血管施加压力，或者导致微血管阻塞，从而引发减压病或潜涵病。而直接接触液氮会导致严重的冻伤。

氮气的主要致病原因是因为吸入高浓度的氮气，这会相对降低呼吸空气中的氧含量，导致机体缺氧和窒息。正常情况下，呼吸空气中的氧含量约为20%～21%。如果吸入的气体中的氧含量低于16%，就会引起机体缺氧的症状。当氧含量降至8%时，会出现呼吸加快和发绀。当氧含量降至4%时，患者会在几秒钟内失去知觉，呼吸停止。这会引起脑水肿、肺水肿以及大脑皮质基底神经节的长期病变。患者可能会迅速出现惊厥、昏迷甚至死亡。