Le cause sono ritenute essere di origine psicologica (come l'ansia; tra i disturbi d'ansia l'attacco di panico causa spesso la sindrome) e nessuna eziologia di tipo organico è mai stata dimostrata, tuttavia la fisiopatologia non è ancora stata del tutto chiarita. Nonostante ciò, è stato notato che può svilupparsi più facilmente in pazienti ansiosi con pregressi problemi respiratori; uno studio ha mostrato che un terzo dei pazienti con sindrome da iperventilazione psicogena aveva anche una "malattia polmonare poco evidente, ma precisa", o un disturbo respiratorio, che li spingeva a respirare troppo spesso o troppo profondamente. Studi condotti in Francia hanno invece proposto che alcune forme siano collegate, ma senza consenso clinico, al fenomeno della distonia neurovegetativa (una neuropatia del sistema nervoso autonomo) di tipo "anfotonico" (ossia un'alterazione contemporanea del tono dei sistemi ortosimpatico e parasimpatico con coinvolgimento del nervo vago).