纯氧中毒早期表现是胸骨后的不适、疼痛，症状在吸气的时候会加重，患者可出现频繁的咳嗽，出现进行性的呼吸困难，甚至出现急性呼吸窘迫综合征。
随后出现自主神经系统的症状，患者会表现为面色苍白、出冷汗、恶心、眩晕、胸骨后疼痛、欣快感或者是烦躁不安、幻听、幻视、心悸不适。继而出现面部肌肉的阵挛、震颤，呼吸、脉搏的加快、血压升高，少数患者会出现虚脱，出现癫痫大发作，每次持续10-60秒钟，知觉丧失、大小便失禁。
如果患者脱离了纯氧的环境，可以在5-10分钟后症状逐渐消失，严重的还会再发作1-2次，在正常的情况下患者仍然会有意识模糊，可能会有症状逐渐清醒，并自己感觉疲劳、头痛、恶心等症状。患者继续暴露在纯氧的环境中，可反复发作抽搐进入昏迷状态，部分患者会由呼吸衰竭而导致死亡。