法洛四聯症的病理生理主要表現為肺動脈狹窄較輕者，可有左向右分流，此時患者可無明顯的青紫，肺動脈狹窄嚴重時，出現明顯的右向左分流，臨床出現明顯的青紫，臨床上的雜音由右心室流出道梗阻所致。
右心室流出道梗阻時，右心室後負荷加重，引起右心室的代償性肥厚，由於主動脈騎跨於兩心室之上，主動脈除接受左心室的血液外，還接受一部分來自右心室的靜脈血，輸送到全身各部，因而出現青紫。同時肺動脈狹窄，肺循環進行氣體交換的血流減少，更加重了青紫程度。此外由於進入肺動脈的血液減少，增粗的支氣管動脈與肺血管之間形成側支循環。
