L’O2 que es difon de l’aire a la sang és transportat des dels pulmons fins als teixits, on es forma el CO2, que segueix el camí invers. L’O2 es transporta fonamentalment en combinació amb l’hemoglobina, una molècula que es combina amb gran facilitat amb aquest element químic, cosa que li permet de transportar de 30 a 100 vegades més O2 que no pas si el gas només estigués dissolt en la sang. D’altra banda, el CO2 es combina en la sang amb diverses substàncies i es transforma en altres substàncies químiques, de manera que la sang en pot transportar de 20 a 30 vegades més quantitat que si hi estigués dissolt.
L’hemoglobina és una substància continguda als eritròcits, formada bàsicament per un compost proteic i quatre àtoms de ferro. Cadascun d’aquests àtoms es pot combinar amb una molècula d’O2, per la qual cosa una molècula d’hemoglobina pot transportar-ne quatre d’O2. Quan hi ha O2 lliure en la sang, l’hemoglobina sense O2, o hemoglobina reduïda, es combina amb el gas i es transforma en hemoglobina amb O2, o hemoglobina oxidada. D’aquesta manera, en combinació amb l’hemoglobina, el 97% d’O2 es transporta dels pulmons als teixits. Només el 3% restant queda dissolt en el plasma o les cèl·lules de la sang.
El transport de CO2 no és tan complex, perquè aquest gas és unes 20 vegades més soluble en la sang que l’O2. Una petita part del CO2, prop d’un 7%, roman dissolta en la sang. Una altra part es transforma químicament i passa a formar part de l’ió bicarbonat en la sang. Aquesta transformació es produeix gràcies a l’acció de l’enzim anhidrasa carbònic, que dóna pas a la formació d’àcid carbònic a partir del CO2. L’àcid carbònic format es dissocia en ió bicarbonat i ions d’hidrogen, que intervenen en la regulació de l’acidesa del medi intern de l’organisme.
Als capil·lars sanguinis dels teixits, l’O2 i el CO2 es difonen entre la sang i els teixits de manera inversa com ho fan als alvèols pulmonars. La difusió s’hi produeix pel mateix mecanisme, gràcies a la diferència de pressió dels gasos entre la sang i els teixits.