Podstawowymi mechanizmami patologicznymi związanymi z tonięciem są niedotlenienie, hipotermia oraz aspiracja wody. Przez wiele lat aspiracja była bagatelizowana, ponieważ zakładano, że po bezdechu dochodzi do skurczu krtani, który teoretycznie zapobiega przedostawaniu się wody do płuc.
Jednak współcześnie brakuje dowodów na występowanie takiego skurczu, a jego znaczenie w procesie tonięcia pozostaje niejasne.

Woda dostająca się do płuc uszkadza ich delikatne struktury, powodując obrzęk i zapadanie się pęcherzyków płucnych. To prowadzi do ostrej niewydolności oddechowej (ARDS), utrudniając wymianę gazową
i pogłębiając niedotlenienie.

Tonący, będąc w wodzie, podejmuje próbę powstrzymania oddechu, by nie wdychać wody.
Jednak zwykle potrafi to zrobić tylko przez krótki czas, najczęściej nie dłużej niż minutę.
Z upływem czasu, gdy woda wciąż wchodzi do dróg oddechowych, tonący traci zdolność do kontrolowania oddechu, co prowadzi do jego całkowitego zatrzymania.W tym momencie organizm przechodzi
w stan głębokiego niedotlenienia, co ma poważne konsekwencje dla wszystkich układów narządowych.

Z powodu braku tlenu we krwi, zaczynają się pojawiać poważne zmiany w funkcjonowaniu mózgu i serca. Hipoksja (niedotlenienie) prowadzi do obniżenia ciśnienia tętniczego, zwolnienia rytmu serca (bradykardii) i może spowodować całkowite zatrzymanie krążenia.
Serce nie jest w stanie dostarczać tlenu do tkanek,
a mózg staje się coraz bardziej podatny na uszkodzenia. Długotrwałe niedotlenienie prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń narządów, w tym mózgu i serca, co zwiększa ryzyko zgonu.