动脉血气分析的临床意义主要有判断机体是否存在酸碱平衡失调以及缺氧和缺氧程度两方面。
在动脉血气分析被应用之前，受条件的限制，判断缺氧只能靠临床症状估计，判断酸碱平衡失衡也仅能根据症状和二氧化碳结合力来判断，而临床症状和二氧化碳结合力受多种因素的影响，可靠性较差，难免出现误诊。而动脉血气分析能对各种标本中不同类型的气体和酸碱性物质进行分析，能准确判断机体是否存在酸碱平衡失调以及缺氧和缺氧的程度。目前已是临床各科低氧血症和酸碱平衡失衡的诊断、救治中必不可少的检验项目。其临床意义具体表现在两方面：一方面，低氧血症是常见并随时可危及病人生命的并发症，许多疾病均可引起，如呼吸系统疾病、心脏疾病、严重的创伤、休克、多脏器功能不全等各种危重病，以及手术麻醉等。通过动脉血气分析，再加上临床症状和体征，能对低氧血症做出准确判断。而且即使有呼吸机可以纠正缺氧和低氧血症，如果没有动脉血气分析监测帮助，就无法精准调整呼吸机的许多参数。另一方面，在危重病急救过程中，酸碱平衡失调是继低氧血症之后最常见的临床并发症，救治关键在于及时诊断和纠正酸碱失衡，这也需要动脉血气分析来判断和衡量。
动脉血气分析会受采血位置、采血量以及肝素浓度等因素影响，其临床分析非常复杂，需要专业的医生来判断。