肺動脈栓塞可為單發或多發，其栓子可從微小栓子到巨大栓子，栓塞部位一般雙側肺多于單側肺，右肺多于左肺，下肺多于上肺。急性肺源性心臟病患者，常見巨大栓子或多個栓子阻塞肺動脈主干，并騎跨在左、右肺動脈分叉處（騎跨型栓塞），造成肺動脈及其主要分支完全或大部栓塞。有時可見栓子向心室延伸并部分阻塞肺動脈瓣。右心室常明顯擴大，并伴有肝臟充血。由于右心衰竭、心排出量減低、休克、反射性冠狀動脈痙攣等引起組織缺氧，左心室心肌尤其心內膜下心肌出現灶性壞死。
肺栓塞后，38%～52.9%的患者由于肺組織缺血、缺氧，可致肺組織壞死，稱為肺梗死。多見于肺下葉鄰近肋膈角部位，呈楔形，其底部在肺表面略高于周圍的正常組織，常呈紅色。鏡下可見肺間質及肺泡出血。30%～40%的肺梗死可伴有胸膜滲出，胸水為漿液性或漿液血性。當血栓運行到肺部對肺循環影響的大小，視血管阻塞的部位面積、肺循環原有的儲備能力以及肺血管痙攣的程度而定。當肺動脈兩側的主要分支突然被巨大的血塊栓子阻塞以及血塊表面的血小板崩解釋放的體液因子如組胺、5-羥色胺、血小板活化因子、多種前列腺素、血栓素A2等進入肺循環，可引起廣泛肺細小動脈痙攣，肺動脈壓驟升，或因大量的微小栓子同時發生肺小動脈栓塞造成肺循環橫斷面積阻塞超過30%時，肺循環阻力明顯增加，肺動脈壓開始升高，如超過50%以上時，肺動脈壓急升，右心室排血受阻，發生右心室擴張與右心衰竭。此外，可因左心血回流減少，血壓下降，冠狀動脈供血不足等影響左心功能。
肺栓塞發生后，呼吸生理的改變主要有：
①肺泡無效腔增加，由于血流受阻，有通氣而無灌注的肺泡不能參與氣體交換，致使無效通氣增加，生理無效腔增大。
②通氣障礙，血栓可釋放組胺、5-羥色胺、白三烯、前列腺素、血小板活化因子等炎性遞質，使支氣管平滑肌發生痙攣，氣道阻力增加。肺梗死時由于肺組織充血、水腫及不張，可使肺順應性降低。
③通氣/血流比值失調，肺梗死后血流受阻，肺泡表面活性物質嚴重減少，導致肺栓塞區肺泡陷閉、局部肺不張及肺水腫，肺動脈的血液在流經這些通氣不足或無通氣的肺區時，未經正常的交換即進入肺靜脈，形成通氣/血流比值減低和靜-動脈生理性分流。此外，在嚴重肺動脈高壓時，可使肺動脈旁路開放，肺動脈的血直接流入肺靜脈。上述這些變化在臨床上主要表現為嚴重的低氧血癥，伴有明顯的呼吸困難與發紺。