深呼吸头晕主要是由于血液中存在的二氧化碳减少，致使呼吸性碱中毒所引起。因为在人体进行深呼吸时，所吸入氧气的量增多，而且二氧化碳排出量相对增加，导致低二氧化碳血症或高氧血症，诱发呼吸性碱中毒而产生头晕症状。同时，还可伴有多汗、心慌，甚至还可诱发休克等症状。
深呼吸头晕也可能为脑血管病变所引起，常见于脑血管狭窄，在深呼吸时会导致大脑供血不足而出现头晕症状。同时，还可伴有一过性的肢体麻木、失语等脑缺血症状。
此外，如果处于高原地区氧气稀薄，当进行深呼吸时，无法吸入充足的氧气，会导致大脑缺氧，也会引起头晕。