碳酸泉对皮肤及粘膜的神经末梢感受器有多方面的作用。可使温度及触觉发生改变，浸浴时，逸出于空气中的碳酸气经呼吸道进入人体内，由于血中碳酸气含量增高，血海中PH值暂时改变。碳酸泉浴时碳酸气以无数小气泡附着于体表,形成一层碳酸气体膜而与水隔离，气泡的导热性比水低，故在同一温度条件下，碳酸浴较普通水浴为热，其不感温可低2℃左右。
碳酸泉浴时皮肤毛细血管扩张，皮肤潮红，导致内脏血液流向体表，体外周循环血量可增达30%，从而减轻了心脏负担，故认为碳酸浴是一种心脏锻炼因素。浴时由于周围血管扩张，外围阻力减小，故血压下降。
碳酸浴时呼吸变慢变深，呼吸商增高，气体代谢增强，积集于血中的碳酸气（CO2）可使缓冲系统发生改变，氢离子增多，肺通气量增加，降低肺气泡中的碳酸气（CO2）分压，从肺脏排出的碳酸气（CO2）增多，碳储备恢复平衡，血红蛋白与酸结合能力增加。结合氢离子具有使血管收缩、氧化血红蛋白分离和组织吸收糖元的作用，故有改善组织营养，稳定酸碱平衡的作用，有利于改善心血管系统的功能。碳酸泉浴后期类组胺物质作用加强，出现多肽曲线上升。
碳酸泉饮用时，胃粘膜充血，血流循环增强，促进胃液中的游离盐酸分泌及胃肠蠕动，有增加食欲促进消化的功能。饮用后进入人体的碳酸气一部分由肠道排出，一部分由嗳气排出，少量由血液吸收，亦很快由呼吸排出。值得注意的是，饮用碳酸水过多时，血液中碳酸气刺激神经系统，可出现醉酒样副作用。