Buteyko sah als Hauptursache vieler gesundheitlicher Störungen eine chronische Hyperventilation als Folge von verschiedenen Stressoren. Dadurch kommt es zu einem Absinken des Kohlendioxid-Gehaltes im Blut. Während in der populärwissenschaftlichen Literatur Kohlendioxid lediglich ein Stoffwechselendprodukt ist, das durch Abatmen eliminiert werden muss, wird in der medizinischen Sicht die wichtige Rolle des Kohlendioxid für den Säure-Basen-Haushalt und die Atemregulation anerkannt.
Dennoch wird ein leichtes Absinken der Kohlendioxid-Werte im Organismus nicht als pathologisch gesehen. Buteyko ist hier einen Schritt weiter gegangen und hat die wichtige Rolle des Kohlendioxid für den Organismus erkannt und therapeutisch umgesetzt. Denn je mehr die CO2-Konzentration unter die physiologische Norm fällt, desto größer sind die gesundheitlichen Probleme, die sich individuell – je nach genetischer Disposition – unterschiedlich auswirken können.
Einige der von Buteyko identifizierten Reaktionen des Körpers ergeben sich aus den direkten Folgen des Kohlendioxid-Mangels, andere stellen Kompensationsreaktionen dar. So bedeutet z.B. das Engstellen der Bronchien einen Schutzmechanismus gegen den Kohlendioxid Verlust, d.h. der Körper versucht durch den erhöhten Widerstand in den Bronchien Kohlendioxid zurückzuhalten.
Da Buteyko das Hauptproblem in der Hyperventilation sah, entwickelte er im Umkehrschluß seine Atemübungen. Diese zielen darauf hinaus, kurzfristig den Kohlendioxid-Gehalt durch eine Mindervolumenatmung zu erhöhen und langfristig das Atemzentrum wieder auf die physiologisch notwendigen Richtwerte einzustellen. Insofern hat Buteyko die Wirksamkeit seiner Methode ausschließlich mit der Veränderung des Kohlendioxidgehaltes in den Atemwegen erklärt. Allerdings bezog er die Gründe, die zur Hyperventilation geführt haben mit ein und versuchte die Stressoren zu reduzieren.
Aus heutiger Sicht kann angenommen werden, dass noch andere Wirkmechanismen zur Geltung kommen, u.a. die Freisetzung von Stickstoffmonoxid und das Verbessern der Herzfrequenzvariabilität durch die Atemübungen.