大脑是对缺氧最敏感的组织，重度一氧化碳中毒，可导致大脑皮层的严重损害，当血液碳氧血红蛋白浓度达到30%-50%以上，患者会出现抽搐、昏迷、血压下降、心律失常，甚至会出现呼吸衰竭、循环衰竭等症状，也可以出现吸入性的肺炎。长期昏迷的患者还可以造成压疮、横纹肌的溶解，以及肌球蛋白的释放和急性的肾功能衰竭等。重度一氧化碳中毒，迟发性性脑病的发生率能达到50%。
一氧化碳的并发症为迟发性脑病，病人可以出现反应迟缓、发呆、动作迟钝，甚至是哭笑无常，定向力差，甚至出现对某些比较熟悉的事物和人失去的记忆力。严重者还可以出现不知道饥饱、大小便异常，出现震颤麻痹等锥体外系的反应。还有会表现为失明、癫痫、肢体的瘫痪等神经系统的症状。所以，常把迟发性脑病的症状误以为是一氧化碳中毒的后遗症。
