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O sangue transporta dois gases principais entre os pulmões e os tecidos: oxigênio e gás carbônico. Apenas uma pequena parcela do oxigênio (cerca de 1,5%) viaja dissolvida no plasma; quase todo o restante se liga à hemoglobina, uma proteína das hemácias que contém quatro grupos heme com ferro e, por isso, carrega até quatro moléculas de oxigênio, formando a oxihemoglobina de cor vermelho-vivo. Em pessoas saudáveis, a saturação da hemoglobina costuma ficar entre 95% e 99%. A liberação do oxigênio acontece porque os gases se movem de uma área de maior pressão parcial para uma de menor pressão, descrita pela curva de dissociação oxigênio-hemoglobina. Vários fatores aumentam essa liberação nos tecidos ativos: temperatura mais alta, pH mais ácido (efeito Bohr) e a presença de BPG, um subproduto da glicólise, todos favorecendo a dissociação do oxigênio. A hemoglobina fetal tem maior afinidade pelo oxigênio do que a do adulto, o que ajuda o feto a captar oxigênio na placenta. Já o gás carbônico é transportado de três formas: cerca de 7 a 10% dissolvido no plasma, cerca de 70% como íons bicarbonato e cerca de 20% ligado à hemoglobina como carbaminoemoglobina. A enzima anidrase carbônica converte gás carbônico e água em ácido carbônico, que se separa em bicarbonato e hidrogênio; parte do bicarbonato sai da hemácia em troca de cloreto, fenômeno chamado de desvio do cloreto.