重叠综合征病因复杂, COPD与OSAHS两者为独立发生抑或互为病因或相互促进尚不清楚，但两者并存发生率高达10%-25%，两者间的相互作用机理尚需进一步研究，其病因包括吸烟、肥胖、全身或呼吸道局部防御及免疫功能减低、个体易感性、呼吸道感染等因素。
COPD炎症反复发作，使支气管勃膜增厚，黏膜下层黏液腺增生肥大，痰液增多黏稠，不易排出，储留于支气管内，中小支气管软骨可萎缩变性，支持力削弱，用力呼气或咳嗽时，支气管易塌陷，出现外周气道阻塞，久之，肺泡内压增高，使肺泡过度膨胀或破裂，发展成肺气肿，出现慢性外周气流阻塞。呼气流速受限，是COPD病理生理改变的标志，主要是由气道固定性阻塞及随之发生的气道阻力增加所致。肺泡附着的破坏，使小气道维持开放的能力受损，但在气流受限中所起的作用较小。COPD进展时，外周气道阻塞、肺实质破坏及肺血管的异常减少了肺气体交换容量，产生低氧血症，以后出现高碳酸血症。OSAHS患者上气道狭窄、睡眠时上气道软组织松弛塌陷，舌根后坠，造成上气道阻力增加，吸气时胸腔负压将使气道塌陷更为严重，从而加重患者的气流阻塞，使病情更为严重。上气道与外周气道阻塞、吸气及呼气气流同时受限是OS患者的特征性改变。
正常人REM期睡眠期间存在间歇性低通气，可有轻微的血氧饱和度下降，Os患者在白天清醒时就存在通气不足，睡眠时由于肌肉松弛，对低氧反应性下降，吸呼气气流进一步受限，导致夜间严重的低氧血症。由于COPD患者肺泡隔和支架组织的结缔组织的丧失，肺过度充气、隔肌低平，OSAHS患者上气道阻力增大，胸壁顺应性降低，频繁出现气道阻塞而发生呼吸暂停和低通气，将导致患者夜间睡眠时通气量更加降低。
COPD患者由于终末细支气管远端的气腔扩大、腔壁破坏，并有部分毛细血管床破坏，导致有效呼吸面积减少，造成通气/血流比例失调，,/患者由于上气道阻力增大，通气量下降，将进一步加重通气/血流比例失调。
肺动脉高压是OS患者发展为肺心病的中心环节，COPD患者支气管的反复感染，气管壁及肺泡壁的破坏，导致肺血管数目减少、肺血管管腔缩小，气道阻塞可致缺氧和二氧化碳潴留，引起肺小动脉持续收缩和肺血管的重构，同时长期缺氧导致高血红蛋白血症，增加血液黏度，从而增加肺血管阻力，加重肺动脉高压。Os患者由于同时伴有上气道阻力增高，需要增大呼吸运动，导致胸腔内负压增大，用力吸气时，胸内负压加大，静脉回流增多，导致右心室舒张末容积增大，右室前负荷增加，由于胸内压频繁而长期的变化，最终导致心脏结构和位置的发生变化，并由于回心血量的增加，加大左右心室前负荷，增加肺心病的发病几率。