血液运输氧，小部分是借血浆的溶解作用，而大部分是靠红细胞中的血红蛋白与氧结合。
1、氧在血液中的物理溶解：由于肺泡中的氧分压较高，氧可以透过呼吸膜溶解在血浆中，血液中以这种物理溶解形式存在的氧，仅有0.3毫升%。但这种溶解与化学结合两种形式间存在着密切的关系，即氧在进入红细胞之前也是以溶解形式过渡的；反之，在组织处，气体从血液中释放时，首先从化学结合状态解离成为溶解状态，然后才能离开血管到组织中去。
2、氧的化学结合：氧的运输，绝大部分是与红细胞中的血红蛋白（以Hb表示）结合而进行。氧与血红蛋白的结合是一种疏松的氧合，而不是真正的化合，特点是既能迅速地结合，又能迅速地解离。结合和解离是一对矛盾的两个方面，氧分压是矛盾运动的外在条件。当血液流经肺部时，由于氧分压高，血红蛋白与氧结合是矛盾的主要方面，将有大量的氧合血红蛋白（HbO2)形成；而当血液流经组织时，由于组织中的氧分压低，两者的解离将成为矛盾的主要方面，较多的氧合血红蛋白解离成血红蛋白和氧，放出的氧进入组织，供细胞利用。氧合血红蛋白呈鲜红色，血红蛋白(或叫还原血红蛋白）呈暗红色。由于动脉血中含氧合血红蛋白较多，故动脉血显鲜红色；而静脉血中还原血红蛋白较多，故显暗红色。当窒息、肺炎、肺气肿以及心力衰竭等疾病而发生气体交换和运输障碍时，血中还原血红蛋白较氧合血红蛋白相对为多，每当100毫升血液这种血红蛋白含量达5克以上时，在毛细血管丰富的体表部位，如口唇、指甲等处，呈现青紫色，叫做发绀或紫绀。从上述氧的运输过程中，可见血红蛋白是运载氧的重要工具。如果血红蛋白的含量或性质发生改变，必将影响氧的结合与解离，造成氧的运输障碍。例如贫血病人，由于血红蛋白减少，可引起机体缺氧。亚硝酸盐能将血红蛋白高铁血红蛋白，一氧化碳易与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，都会障碍血红蛋白与氧的正常结合，分别造成亚硝酸盐中毒和一氧化碳中毒。
