พืชและสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังชั้นต่ำ ออกซิเจนสามารถซึมผ่านเข้าสู่เซลล์ได้โดยตรง แต่ในสัตว์ที่มีกระดูกสันหลังมีเม็ดเลือดแดงคอยทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนที่ดูดผ่านจากอวัยวะหายใจเข้าสู่ตาข่ายของเส้นเลือดฝอยที่แผ่อยู่ที่ผิวของอวัยวะหายใจ เพื่อนำไปให้เซลล์ใช้ในการสันดาปกับอาหารให้ได้พลังงานมาใช้ในการดำรงชีพ
การที่เม็ดเลือดแดงลำเลียงออกซิเจน จากอวัยวะหายใจมาให้เซลล์ใช้ในการหายใจได้ เพราะเม็ดเลือดแดงมีสารที่เรียกว่า ฮีโมโกลบิน (haemoglobin) เป็นองค์ประกอบสารนี้มีธาตุเหล็กประกอบอยู่ด้วย ในเม็ดเลือดแดงของคนแต่ละเม็ดพบว่ามีฮีโมโกลบินประกอบอยู่ถึง ๒๘๐ ล้านโมเลกุล แต่ละโมเลกุลของฮีโมโกลบินประกอบด้วย ๑ โมเลกุลของโปรตีนชนิดโกลบูลิน (globulin) และ ๔ หน่วยของสารอินทรีย์ที่มีอะตอมของธาตุเหล็กอยู่ตอนกลางของโมเลกุลด้วย เรียกว่า "ฮีม" (heme)
แต่ละอะตอมของธาตุเหล็กที่เป็นองค์ประกอบของฮีโมโกลบินโมเลกุล สามารถที่จะรวมตัวกับโมเลกุลของออกซิเจนได้อย่างหลวมๆ ได้เป็นออกซีฮีโมโกลบิน ดังนั้นแต่ละโมเลกุลของฮีโมโกลบิน ก็จะมีโมเลกุลของออกซิเจนไปจับถึง ๔ โมเลกุล (Hb-4O2)การที่มีออกซิเจนไปจับกับฮีโมโกลบินจะทำให้เลือดมีสีแดงเข้ม ส่วนฮีโมโกลบินที่ไม่มีออกซิเจนไปจับมักจะพบมีสีค่อนข้างคล้ำ การที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากออกซิเจนที่ไปจับทำให้รูปแบบของกรดอะมิโนที่จับอยู่กับฮีมเปลี่ยนไปเล็กน้อย ออกซีฮีโมโกลบินนี้จะผ่านออกมาจากอวัยวะหายใจตรงเข้าสู่หัวใจเพื่อสูบฉีดไปให้เนื้อเยื่อทุกหนทุก แห่งภายในร่างกาย แหล่งสร้างเม็ดเลือดแดงคือไขกระดูกของกระดูกแขนและกระดูกขา แต่ขณะที่ยังเป็นตัวอ่อนอยู่ในครรภ์มารดา เม็ดเลือดแดงอาจสร้างมาจากม้ามและตับได้ เม็ดเลือดแดงของคนและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ขณะที่อยู่ในเลือดและทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนไม่มีนิวเคลียสนับเป็นวิวัฒนาการอย่างหนึ่งที่ช่วยให้มีโมเลกุลของฮีโมโกลบินอยู่ในเซลล์ของเม็ดเลือดแดงเพิ่มมากยิ่งขึ้น เม็ดเลือดแดงที่มีอายุมากแล้วทำงานไม่ได้ดีจะถูกตับทำลายและสร้างจากไขกระดูกขึ้นมาแทนที่ แต่ถ้าเกิดเป็นบาดแผลมากไขกระดูกสร้างให้ไม่ทันใช้ อาจพบเม็ดเลือดแดงที่ยังมีอายุน้อยและมีนิวเคลียสออกมาอยู่ในเลือดได้สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังชั้นสูงหลายชนิด เช่น พวกไส้เดือนดินหรือหอยบางชนิดที่เลือดมีสีแดงก็มีฮีโมโกลบินสำหรับนำออกซิเจนไปให้เซลล์ใช้ด้วย แต่ฮีโมโกลบินของ
สัตว์เหล่านี้ละลายอยู่ในน้ำเลือด (plasma) การที่ฮีโมโกลบินละลายอยู่ในน้ำเลือดทำให้มีประสิทธิภาพในการขนส่งออกซิเจนไปให้เซลล์ได้น้อยกว่าที่พบอยู่ในเม็ดเลือด เพราะจากการวัดความสามารถในการรวมตัวกับออกซิเจน พบว่ามีฮีโมโกลบินที่อยู่ในเม็ดเลือดสามารถรวมตัวกับออกซิเจนได้ดีกว่าที่ละลายอยู่ในน้ำเลือดมาก นอกจากฮีโมโกลบินแล้วสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิดก็มีสารอื่นที่ทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนได้ด้วย เช่น ฮีโมไซยานิน (haemocyanin) ที่พบในน้ำเลือดของสัตว์พวกแมลง กุ้งและหอยหลายชนิดสารฮีโมไซยานินมีโลหะทองแดง (Cu) จับกับโมเลกุลของโปรตีนในเลือด ทำให้เลือดของสัตว์พวกนี้ไม่มีสี แต่ในตอนที่รวมตัวกับออกซิเจนจะพบมีสีน้ำเงินอ่อนๆ สำหรับไปถึงเซลล์ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความกดดันของออกซิเจนต่ำกว่าในเม็ดเลือดแดงมากเพราะโดยปกติความกดดันของออกซิเจนที่ปอดมีถึง ๑๐๘ มม. แต่เซลล์ขณะพักจะมีความกดดันเพียง ๔๐ มม. ดังนั้นออกซีฮีโมโกลบินจึงแตกตัวปล่อยเอาออกซิเจนซึมผ่านเส้นเลือดฝอยไปให้เซลล์ใช้ในการหายใจได้ โดยปกติฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงของคนจะปล่อยออกซิเจนที่จับไว้ใช้เซลล์ใช้เพียงประมาณ ๔๐% เท่านั้น จะยังคงเหลืออยู่ในเส้นเลือดดำไปให้ปอดฟอกอีกถึง ๖๐% ในขณะที่ออกกำลังกายหรือทำงานหนักๆ ออกซีฮีโมโกลบินจะปล่อยออกซิเจนให้เซลล์ได้มากขึ้นอีก จนอาจลดลงเพียง ๒๘% ที่เป็นเช่นนี้เป็นเพราะอัตราการใช้ออกซิเจนของเซลล์ขณะออกกำลังกาย หรือทำงานหนักสูงกว่าปกติเป็นผลให้มีการขยายตัวของเส้นเลือดฝอยบริเวณอวัยวะที่เป็นส่วนสำคัญในการทำงานเช่น กล้ามเนื้อ ทำให้มีการขยายเนื้อที่ของการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเลือด และเซลล์กล้ามเนื้อเพิ่มมากขึ้น
นอกจากก๊าซออกซิเจนแล้ว ฮีโมโกลบินอาจรวมตัวได้ง่ายกับก๊าซอื่นๆ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ ที่เกิดจากการเผาไหม้ของพวกถ่านหิน ไอเสียของรถยนต์ ควันบุหรี่ฯลฯ ก๊าซนี้สามารถที่จะรวมตัวกับฮีโมโกลบินได้ดีกว่าออกซิเจน เป็นก๊าซที่มีอันตรายมากเพราะก๊าซนี้จะจับกับฮีโมโกลบินอย่างถาวร ทำให้ออกซิเจนจับกับฮีโมโกลบินไม่ได้ จึงทำให้ร่างกายได้รับออกซิเจนน้อยลงและเซลล์หายใจได้น้อยลงตามไปด้วย ผู้ที่ได้รับคาร์บอนมอนอกไซด์มากๆ จะมีอาการตามัว หูไม่ได้ยิน หมดความรู้สึกและตายในที่สุด
นอกจากจะทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนจากอวัยวะหายใจไปให้เซลล์ใช้แล้ว เลือดยังทำหน้าที่สำคัญในการลำเลียงคาร์บอนไดออกไซด์ไปปล่อยออกที่อวัยวะหายใจด้วย ส่วนหนึ่งของคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งผ่านออกมาจากเซลล์จะละลายอยู่ในส่วนที่เป็นน้ำเลือดและอีกส่วนหนึ่งก็จะมาจับกับโมเลกุลของฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงอย่างหลวมๆ คาร์บอนไดออกไซด์ที่จับกับโมเลกุลของฮีโมโกลบินและที่ละลายอยู่ในน้ำเลือดนี้ อยู่ในสภาพเป็นอนุมูลไบคาร์บอเนต ซึ่งเกิดขึ้นโดยในขั้นแรกจะรวมตัวกับน้ำได้เป็นกรดคาร์บอนิค ปฏิกิริยาการเกิดกรดคาร์บอนิคนี้เกิดขึ้นเร็วมากในเม็ดเลือดแดง เพราะเม็ดเลือดแดงมีเอนไซม์ ชื่อ คาร์บอนิคแอนไฮเดรส (carbonic anhydrase) ช่วยเร่งปฏิกิริยา ขั้นต่อไปกรดคาร์บอนิคที่เกิดขึ้นจะแตกตัวออกเป็นอนุมูลไฮโดรเจนและอนุมูลไบคาร์บอเนตทันที เพราะถ้าอยู่ในสภาพเป็นกรดต่อไปจะทำให้เลือดมีฤทธิ์เป็นกรดมากขึ้น และทำให้เป็นอันตรายได้ สำหรับ H+ ซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรดก็จะถูกโปรตีนในน้ำเลือดและฮีโมโกลบินทำหน้าที่จับเอาไว้เปลี่ยนไปเป็นแอซิดฮีโมโกลบิน (acid haemoglobin) และแอซิดโปรตีน (acid protein) ซึ่งจะมีฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อนกว่ากรดคาร์บอนิคมาก ทำให้ระดับความเป็นกรดด่างภายในเลือดไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อเม็ดเลือดสร้างอนุมูล HCO3- แล้วมันจะค่อยๆ ปล่อย HCO3-จากฮีโมโกลบินเข้าสู่น้ำเลือด ขณะที่ถูกนำไปสู่ปอด และทุกๆ ครั้งที่ปล่อยอนุมูล HCO3-ออกมาในน้ำเลือด อนุมูล CI- ที่อยู่ในน้ำเลือดก็จะเข้ามาแทนที่โมเลกุลของฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดง การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่าคลอไรด์ ชีฟท์ (chloride shift) เพื่อช่วยให้เม็ดเลือดแดงขณะที่วนเวียนอยู่ในกระแสโลหิตมีฤทธิ์เป็นกลาง เมื่อผ่านมาถึงปอดซึ่งมีความดันของคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำ ปฏิกิริยาจะกลับตรงข้าม เพราะ HCO3- จะกลับเข้ามาในเม็ดเลือดแดงใหม่ Cl- ก็จะแพร่ออกไปในน้ำเลือด HCO3- ในเม็ดเลือดแดงจะถูกเปลี่ยนเป็น CO2 โดยเอนไซม์คาร์บอนิคแอนไฮเดรส ซึ่งมีอยู่ในเม็ดเลือด (ดังสมการ) ต่อจากนั้น CO2 ก็จะถูกขับออกไปจากปอด
