Wymiana gazowa jest to zespół zjawisk mających na celu dostarczenie tkankom tlenu i odebranie wytworzonego przez nie dwutlenku węgla. W wyniku utleniania związków organicznych, przede wszystkim glukozy, wydziela się użyteczna biologicznie energia. Sposób wymiany gazowej zależy od środowiska i trybu życia zwierzęcia. Gazy rozprzestrzeniają się wewnątrz tkanek na drodze dyfuzji, zatem w warunkach wyjściowych powierzchnia całego ciała jest zarazem powierzchnią wymiany gazów między organizmem i otoczeniem. Dalsza ewolucja doprowadza do wytworzenia innych, bardziej wyspecjalizowanych powierzchni oddechowych. Motorem ewolucji o takim kierunku jest z jednej strony niekorzystne zmniejszanie się stosunku liczbowego powierzchni ciała do objętości ciała (w związku ze zwiększaniem rozmiarów ciała), z drugiej doskonalenie mechanizmów metabolicznych, co prowadzi do zwiększenia tempa przemian metabolicznych i w konsekwencji tempa produkcji dwutlenku węgla i zapotrzebowania na tlen. Ponieważ środowisko wnętrza komórek jest wilgotne, gazy, które mają brać udział w przemianach metabolicznych, muszą być rozpuszczone w wodzie. Z tego względu muszą się w niej rozpuszczać już na powierzchniach oddechowych, które muszą zatem być stale zwilżane; parowanie wody jest nieuniknione w środowisku lądowym.

Pierścienice oddychają całą powierzchnią ciała, pokrytą śluzem i zaopatrzoną w liczne naczynia kapilarne. U wodnych wieloszczetów spotyka się skrzela zewnętrzne powstałe z przekształcenia parapodiów. Mięczaki wodne wytwarzają skrzela, będące bogato unaczynionymi wyrostkami płaszcza o kształcie pierzastym lub grzebykowatym, ukryte w jamie płaszczowej, zaś lądowe (i część wodnych) unaczyniony rejon płaszcza, zwany płucami. Otwór oddechowy zwany jest pneumostomem. U stawonogów wymiana gazów poprzez powierzchnię ciała jest utrudniona przez chitynowy skórek, powstaje z to szereg innych struktur (tchawki, płucotchawki, rozgałęzione skrzela związane z odnóżami u skorupiaków, wewnątrz jam zakrytych ochronnym wieczkiem) U owadów dorosłych występuje system rozgałęzionych rurek, zwanych tchawkami, do których powietrze dostaje się przetchlinkami na powierzchni tułowia i odwłoka. Wymiana gazowa następuje w końcowych odcinkach tchawek, tak zwanych tracheolach. U pajęczaków spotka się tchawki i płucotchawki lub tylko te ostatnie. Są to komory otwierające się przetchlinkami, wewnątrz których znajdują się struktury wypełnione hemolimfą o budowie pliku kartek, pomiędzy którymi przepływają gazy oddechowe. Najdrobniejsze pajęczaki oddychają tylko powierzchnią ciała

Lancetnik oddycha powierzchnią ciała i unaczynionej gardzieli, skąd woda wydostaje się omywając szpary skrzelowe. Te z kolei uchodzą do specjalnej jamy okołoskrzelowej, otwierającej się na zewnątrz pojedynczym otworem w tylnej części ciała. U ryb funkcję oddechową przejmują skrzela osadzone na łukach skrzelowych. Mechanizmy wentylacji skrzel powodują intensywny przepływ wody wokół powierzchni oddechowych. Liczba łuków skrzelowych waha się od 4 u kostnoszkieletowych do 5 u chrzęstnoszkieletowych. Wnętrzem łuku skrzelowego, w sąsiedztwie jego chrzęstnego lub kostnego rusztowania, przebiegają naczynia skrzelowe tętnicze i żylne. Od łuku odchodzą blaszki, na których osadzone są poprzeczne listki, będące właściwym miejscem wymiany gazowej. Naczynie tętnicze wnika z jednej strony do listka i rozpada się na płaską sieć kapilar, które łączą się w naczynie żylne. Krew przepływa przez tę sieć w przeciwnym kierunku, niż woda pompowana ssąco - tłoczącymi ruchami dna gardzieli wspomaganymi przez obecność zastawki i wieczek skrzelowych. U długodystansowych pływaków, jak makrele, woda przepływa przez stale otwarty pysk i skrzela bez dodatkowych ruchów oddechowych. U karpia w jamie gębowej powstaje podciśnienie, które dociska wiotkie brzegi pokryw skrzelowych do boków ciała i wsysa porcję wody przez otwór gębowy. Z kolei skurcz spodniej części gardzieli wypycha wodę, blokując zastawkę gębową i unosząc pokrywy skrzeli. Piskorz połyka powietrze sponad powierzchni wody, które wędruje przez przewód pokarmowy i tam dokonuje się wymiana gazowa. U chrzęstnoszkieletowych i bezszczękowców brak wieczka skrzelowego. Ryby dwudyszne mogą korzystać z płuc, skrzeli i powierzchni ciała, niektórym gatunkom wystarczą płuca, lecz nie wystarczą skrzela (podobieństwo do płazów). Płuca u innych ryb zanikają lub ulegają swoistej adaptacji na narząd hydrostatyczny (pęcherz pławny), tracący łączność z krtanią częściowo lub całkowicie. U niektórych gatunków ryb ta przestrzeń powietrzna wewnątrz ciała pośredniczy w transmisji fal dźwiękowych.

Głównym narządem oddechowym płazów jest stale wilgotna i wyjątkowo intensywnie unaczyniona skóra. Narządem pomocniczym są płuca lub skrzela zewnętrzne. Mają one postać pierzastych wyrostków, u kijanek pokrytych wieczkiem skrzelowym. Płuca dorosłych płazów są cienkościennymi workami, gładkimi lub niekiedy nawet silnie pofałdowanych na podobieństwo płuc gadów (ropuchy). Powietrze jest połykane, specjalnych mięśni oddechowych brak. Powietrze wdychane jest gromadzone w jamie gębowej, co zmniejsza stopień, w jakim miesza się w wydychanym. Uniesienie dna gardzieli wtłacza do płuc porcję powietrza. Mechanizm ten jest daleki od efektywności, jednak wystarczający dla płazów. Wymiana gazowa gadów dokonuje się przez podzielone na komory płuca. Jedynie około 5% gazów migruje przez zrogowaciały naskórek. 95% wymiany dokonuje się z udziałem zaopatrzonych we własny krwiobieg płuc o stosunkowo dużej powierzchni. Płuca części gadów (warany) mają bardziej zaawansowaną budowę. Mechanizmem wentylacyjnym gadów jest skurcz mięśni międzyżebrowych. W klatce piersiowej panuje podciśnienie, a płuca nie są w pełni rozciągnięte. Powiększenie przestrzeni klatki piersiowej rozciąga płuca i powoduje zassanie do nich porcji powietrza (tzw. pojemności oddechowej). Płuca ptaków są ewenementem wśród kręgowców; powietrze przepływa przez nie na przestrzał i nieustannie (wdech i wydech podtrzymuje obieg powietrza). Końcowe odcinki płuc to kurczliwe uchyłki (worki powietrzne) wnikające pomiędzy narządy wewnętrzne, pracujące jak miechy (z dużym udziałem mięśni skrzydeł) lub biernie magazynujące powietrze. Odgałęziają się również od dróg doprowadzających powietrze do płuc. Świeże powietrze przepływa przez płuca zarówno w czasie wdechu jak wydechu (nazywamy to podwójnym oddychaniem). Powierzchnie oddechowe mają postać rurek. Wciągnięte powietrze dostaje się do worków tylnych, następnie wraca przez płuca do oskrzeli. Zbliżony system występował u niektórych wymarłych dinozaurów. Sposób ten to tzw. podwójne oddychanie.

Do organizmu ssaków powietrze dostaje się przez nozdrza i jamę nosową (również ustną) do głębiej położonych odcinków - jamy gardłowej, krtani, tchawicy i oskrzeli. Rolą jamy nosowej i gardłowej jest zwilżanie, ogrzewanie i oczyszczanie powietrza. Służą temu komórki migawkowe i wydzielnicze, a także system dobrze unaczynionych zatok we wnętrzu kości czaszki. Pole sitowe jamy nosowej jest miejscem występowania chemoreceptorów. Specyficzną rolą krtani jest emisja dźwięku, a chrząstki, które ją otaczają, uczestniczą w odruchu połykania, zamykając drogi oddechowe. Tchawica jest rurą usztywnioną pierścieniami chrzęstnymi. Zapewnia swobodny przepływ powietrza z i do płuc. Nabłonek orzęsiony wyścieła wnętrze dolnych dróg oddechowych, przesuwając ku górze drobne ciała obce (bakterie, pył, kurz) zlepione śluzem w kierunku przełyku, gdzie są połykane. Tchawica rozdziela się na prawe i lewe oskrzele. Oskrzela wnikają do płuc i dzielą się na oskrzela II, III, IV i dalszych rzędów (w sumie kilkanaście), te zaś przechodzą w cienkie oskrzeliki, w ścianach których występują bogato unaczynione pęcherzyki zwane pęcherzykami płucnymi. Gronka tych pęcherzyków stanowią również ślepe zakończenia najcieńszych oskrzelików. Łączna powierzchnia wymiany gazowej porównywalna jest do powierzchni średniego boiska. Oskrzeliki oddechowe unaczynione są przez mały, wyższe piętra przez duży krwiobieg. Tak więc płuca kręgowców mają pęcherzykowatą budowę. Ze względu na obecność serca, płuco lewe dzieli się na dwa większe płaty, prawe na trzy mniejsze. Od zewnątrz płuca powleka błona opłucnej trzewnej, która zachowuje ciągłość z wyściełającą od wewnątrz jamę ciała opłucną ścienną. Przestrzeń międzyopłucnowa zwana jamą opłucnej wypełniona jest płynem wspomagającym ruchy oddechowe. Głównym mięśniem zwiększającym podciśnienie wokół płuc jest przepona. Rozkurczanie się pęcherzyków płucnych jest ubocznym efektem ruchów oddechowych, których głównym celem jest wprowadzeni porcji powietrza do płuc. Prędkość przepływu powietrza staje się zerowa już w oskrzelikach, więc wymiana gazów w samych pęcherzykach zachodzi drogą dyfuzji (we krwi powracającej z tkanek stężenie dwutlenku węgla jest duże, a tlenu małe, w powietrzu oddechowym na odwrót). Pomocniczymi mięśniami oddechowymi są wewnętrzne mięśnie międzyżebrowe, a nawet mięśnie obręczy kończyny górnej, gdy jest ona swobodnie opuszczona. Normalna częstotliwość oddechów u dorosłego człowieka wynosi kilkanaście na minutę (średnio najmniej około 8 - 15, zależnie od pobudzenia, stężenia tlenu, wieku). Ruchami oddechowymi zarządza ośrodek oddechowy zlokalizowany w rdzeniu przedłużonym, który reaguje na podwyższenie stężenia dwutlenku węgla we krwi (i tym samym spadek pH krwi) zwiększeniem częstości oddechów. Organizm reaguje na brak tlenu tylko wyjątkowo, bo w warunkach fizjologicznych zwykle stężenie dwutlenku węgla zmienia się szybciej. Pojemność oddechowa płuc człowieka wynosi około 0,5 litra. Pomiędzy najgłębszym wdechem i wydechem otrzymujemy pojemność życiową, a łącznie z powietrzem zalegającym pojemność całkowitą. Nie istnieje sposób na wydostanie powietrza z oskrzelików, nawet w razie utonięcia.

Poza potocznym określeniem wymiany gazowej, oddychaniem nazywamy w zasadzie proces biochemiczny, polegający na utlenianiu substratów organicznych z udziałem tlenu cząsteczkowego (o. tlenowe lub aerobowe) lub substratu innego niż tlen (o. beztlenowe lub anaerobowe). Wymianę protonu między dwoma substratami organicznym nazywamy fermentacją, która jest odmianą oddychania beztlenowego. Procesom redox towarzyszy uwalnianie energii zakumulowanej w cząstkach organicznych (glukoza, kwasy tłuszczowe) częściowo w postaci ciepła (bezużytecznej), a częściowo w formie syntezy ATP (postać użyteczna energii). Komórki m.in. mięśni szkieletowych człowieka zdolne są w warunkach niedoboru tlenu do fermentacji. Cząsteczka glukozy odłącza protony (utlenia się), powstałe tak dwie cząsteczki kwasu pirogronowego powtórnie ulegają redukcji się do kwasu mlekowego, który akumuluje się. W toku tej przemiany komórka zyskuje 2 cząsteczki ATP w przeliczeniu na 1 glukozy. Enzymy potrzebne do glikolizy są zlokalizowane w cytoplazmie. W komórkach drożdży glukoza jest przekształcana w produkt utleniony (dwutlenek węgla) i zredukowany (alkohol etylowy), co również nazywamy fermentacją (alkoholową). U szeregu innych organizmów produktem mogą być różne kwasy organiczne (octowy, masłowy, propionowy). Kwas mlekowy wytwarzany podczas intensywnych wysiłków transportowany jest przez krew do wątroby, tam zaś następuje odtworzenie cząsteczki glukozy.

Glikolizę katalizuje szereg enzymów. Pierwszym krokiem jest aktywacja, czyli dołączenie dwóch reszt fosforanowych do cząsteczki glukozy. Dalej 1,6-glukozodifosforan przekształcany jest w 1,6-fruktozodifosforan, ten zaś jest rozkładany na dwie 1-fosforylowane cząsteczki trójwęglowe: aldehyd fosfoglicerynowy i fosfodihydroksyaceton (w całości przekształcany w pierwszy z produktów). W drodze dalszych izomeryzacji, fosforylacji i odwodornienia wszystkie produkty przekształcane są w kwas 1,6-difosfoglicerynowy. Na drodze kolejnych przemian powstaje zeń kwas pirogronowy i dwie cząsteczki ATP, wskutek substratowej fosforylacji ADP. Jeżeli tlen jest obecny w wystarczającej ilości, kwas pirogronowy przedostawszy się do wnętrza mitochondrium odszczepia jeden atom węgla, ten łączy się z tlenem w dwutlenek węgla, a powstała reszta acetylowa trafia na związek organiczny zawierający siarkę, zwany koenzymem A (łącznie acetylokoenzym A). W wyniku reakcji acetylo-CoA z kwasem szczawiooctowym powstaje cząsteczka kwasu cytrynowego i wolny koenzym A. Kwas cytrynowy jest enzymatycznie przeobrażany w kolejne kwasy organiczne, a w końcu znów w kwas szczawiooctowy zdolny do przyjęcia reszty acetylowej. Dlatego też ten ciąg reakcji nazywamy cyklem kwasu cytrynowego (Krebsa). W pewnych etapach tego cyklu odłączane są pozostałe dwa atomy węgla (dekarboksylacja) i tworzy się dwutlenek węgla, atomy wodoru zabierane są przez przenośniki (dehydrogenacja) i transportowane (3 przez NAD, a 1 przez FAD) w kierunku wewnętrznych błon mitochondrium. Tutaj atomy wodoru są odbierane przez system białek oddechowych i rozszczepiane na proton i elektron. Protony akumulowane są w przestrzeniach pomiędzy błonami mitochondrium, a elektrony przekazywane ostatecznie na zredukowany atom tlenu, skutkiem czego powstaje woda. Protony wracają do matrix mitochondrium za pośrednictwem białek kanałowych zwanych ATP-azami. Działają one jak koła łopatkowe, zamieniając ADP w ATP (trzy cząsteczki na każdy atom wodoru dostarczony przez NADH i dwie z FADH). Elektron jest przekazywany pomiędzy cząsteczkami białek zwanych cytochromami, tworzącymi tzw. łańcuch oddechowy. Elektrony stopniowo tracą swą energię potencjalną, która osiąga minimum w cząsteczce wody. Owocem oddychania z udziałem glikolizy i mitochondrium jest 36 do 38 cząsteczek ATP na 1 cząsteczkę glukozy w zależności od typu komórki. Wiele trucizn działa na zasadzie blokowania łańcucha transportu elektronów w grzebieniach mitochondrialnych.