Der Gasaustausch, das bedeutet die Aufnahme von molekularem Sauerstoff (O2) aus der Umgebung und die Abgabe von Kohlendioxid (CO2) in die Umgebung, ist für die Zellfunktion essentiell. Der Gasaustausch während der Atmung erfolgt weitgehend über die Bewegung von Gasmolekülen entlang eines Druckgradienten. Dabei bewegt sich das Gas von Gebieten mit höherem Partialdruck zu Gebieten mit niedrigerem Partialdruck. Bei Säugetieren findet der Gasaustausch in den Lungenbläschen statt, die an die Kapillaren angrenzen und eine Membran mit ihnen teilen.
Bei der Ausdehnung der Lunge bewirkt die daraus entstandene Druckabnahme gegenüber dem Atmosphärendruck, dass Sauerstoff in die Lunge einfließt. Die von der Umgebung in die Lungen aufgenommene Luft hat eine höhere Sauerstoffkonzentration und eine geringere Kohlendioxidkonzentration als das sauerstoffarme Blut, das vom Herzen in die Lungen fließt. Somit diffundiert der Sauerstoff von den Lungenbläschen in das Blut der Kapillaren, wo er an die Gewebe abgegeben werden kann. Kohlendioxid hingegen diffundiert von den Kapillaren in die Lungenbläschen, wo es durch Ausatmen ausgestoßen werden kann.
Die Flussrichtung des Gases wird durch den Druckgradienten der einzelnen Gases bestimmt, wobei sich jedes Gas entlang seines Gradienten bewegt. Der von einem einzelnen Gas in einem Gasgemisch ausgeübte Druck ist sein Partialdruck und jedes Gas bewegt sich von dem höheren zu dem niedrigeren Partialdruck. Daher stehen die Bewegungen von O2 und CO2 nicht in direktem Zusammenhang.
Sauerstoff wird vom menschlichen Körper verwendet, um Zucker und andere organische Moleküle in das Energiemolekül ATP während der Zellatmung umzuwandeln. Ein Nebenprodukt der Zellatmung ist CO2, das aus den Zellen entfernt werden muss. Da es sonst den pH-Wert verändern würde und die Zellen beschädigen könnte. Da Sauerstoff für die Bereitstellung von Energie für wichtige Zellfunktionen notwendig ist und sich CO2 im Körper nicht ansammeln darf, benötigt der menschliche Körper einen konstanten Blutfluss zu und von allen Geweben, um den Gasaustausch zu ermöglichen.
Die Atmungs-und Kreislaufsysteme treffen sich strukturell und funktionell an den Alveolen. Die Alveolen und Kapillaren sind miteinander verflochten und berühren sich physisch. Da beide typischerweise eine Zelle dick sind, findet der Gasaustausch unkompliziert zwischen ihnen statt. Auch wenn die Lungen nicht groß sind, wird eine enorme Menge an O2 und CO2 ausgetauscht, da Hunderte von Millionen Alveolen pro Lunge mit einer Oberfläche von etwa 100 m2! vorhanden sind.
