Основними причинами втоми при виконанні тривалих фізичних вправ великої та помірної потужності становлять фактори, пов'язані зі зниженням рівня енергозабезпечення працюючих м'язів (вичерпання внутрішньом'язових запасів глікогену, накопичення продуктів неповного окислення жирів, надлишкове накопичення аміаку та ІМФ, розвиток гіпоглікемічного стану), а також порушення електрохімічного сполучення в працюючих м'язах і погіршення діяльності ЦНС в умовах вираженої гіпертермії, дегідратації та порушення електрохімічного балансу організму. Все це свідчить про комплексний характер розвитку втоми в цих умовах.
Значна доля у ресинтезі АТФ приходиться на окислення глюкози. Окислення жирів характерне лише для вправ, відносна потужність яких не перевищує 50% від рівня надходження і засвоєння кисню. Анаеробні джерела енергії (КрФ і глікоген) справляють помітний вплив на енергетику роботи лише в тих видах тривалих вправ, відносна потужність яких перевищує значення лактатного і креатинфосфатного порогів, локалізованих на рівні 60-75% від рівня споживання кисню.
За тривалої роботи змінюється динаміка основних біохімічних показників крові. Так, вміст глюкози в крові помітно знижується у випадку, коли тривалість вправ перевищує 90 хв. Вміст лактата й вільних жирних кислот у крові зберігається на рівні спокою доти, доки не буде досягнуте значне вичерпання вуглеводних ресурсів організму.
Конкретні причини втоми за тривалої роботи можуть бути обумовлені нездатністю працюючих м'язів підтримувати задану швидкість ресинтезу АТФ через накопичення аміаку і кетонових тіл в організмі. Додаткове введення глюкози запобігає розвиткові гіпоглікемії при роботі та помітно підвищує працездатність при виконанні тривалих фізичних навантажень.
Таким чином, при виконанні будь-яких вправ можна виділити провідні, найбільш навантажувані ланки обміну речовин, і функції систем організму, можливості яких і визначають здатність спортсмена виконувати вправи на належному рівні інтенсивності та тривалості. Це можуть бути регуляторні системи (ЦНС, вегетативна нервова система, нейрогуморальна система), системи вегетативного забезпечення (дихання, кровообіг, кров) та виконавча (рухова) система.
За даними багатьох фахівців втому слід розглядати як наслідок виходу з ладу будь-якого компоненту в складній системі органів і функцій, або як порушення взаємозв'язків між ними. Провідною ланкою в розвитку втоми може стати будь-який орган та його функція, якщо виявиться невідповідність між рівнем фізичного навантаження та наявними функціональними резервами. Тому найпершою причиною зниження працездатності можуть бути вичерпання енергетичних резервів, тканинна гіпоксія, зниження ферментативної активності, зміна гомеостазу, порушення нервової та гормональної регуляції й інше.
З'ясування механізмів утоми відіграє важливу роль у практиці спорту для обґрунтування вузлових положень спортивного тренування. Втома розглядається як фактор, що стимулює мобілізацію функціональних ресурсів, визначає межі оптимального обсягу впливів тренування, а також забезпечує ефективність протікання адаптації, успішність змагальної діяльності та профілактику переадаптації.
Такий підхід має практичне значення, оскільки об'єктивно обґрунтовує систему чергування тренувальних навантажень переважної спрямованості. Система чергування навантажень дозволяє об'єднати великі обсяги роботи за високої частити тренувальних навантажень, високі якісні характеристики роботи, профілактику перевтоми організму та перенапруження функціональних систем у результаті виконання напружених тренувальних програм.