肺換気（空気を吸い込む）が行われ、肺が空気で満たされると、呼吸の第二段階である肺ガス交換が行われます。

肺ガス交換は、肺の中の肺胞と血液の間で行われます。

肺ガス交換のプロセスは、血液からCO2を除去し、血液中のO2供給を補充するため、「外部呼吸」とも呼ばれる。

ガス交換は、「拡散」として知られるプロセスを介して、圧力勾配を下るように行われます。

これらのガスはそれぞれ、混合ガス内の濃度に関連した圧力を持っています。

肺胞と血液中のガス間の分圧の差は、呼吸膜（肺胞と血液毛細血管を隔てる膜）を横切って圧力勾配を生じさせる。

膜の両側の圧力が同じであれば、ガスの交換は行われず、O2やCO2の移動もない。 O2とCO2の分圧が異なる場合、ガス交換が行われます。

ガスは濃度の高いところ（高圧）から低いところ（低圧）へ移動します。 肺胞に吸入されたばかりの空気はO2濃度が高いので、O2は呼吸膜を通過してO2濃度の低い血液中に拡散する。 この血液は「酸素化」され、次の画像のように体の組織に送られて使われます。

体の組織から肺胞に来た血液は、二酸化炭素濃度が高い状態になっています。 この「脱酸素化」された血液中のCO2は、呼吸膜を越えて肺胞内のCO2濃度の低い場所まで拡散し、その後肺から排出される（息を吐く）。

酸素が血液に吸収されるには、赤血球に付着しているヘモグロビン（Hb）と結合する必要があります。 酸素を含んだ血液（動脈血）は、ヘモグロビンと酸素が結合しているため、鮮やかな赤色をしています。 脱酸素血（静脈で運ばれる）は、ヘモグロビンと結合する利用可能な酸素がないため、より暗い赤色になります。

脱酸素化血液は、暗赤色とは対照的に、しばしば「青色」と呼ばれます。 この表記は、主に酸素化血液と脱酸素化血液の違いを理解しやすくするため、また違いを図に表すために用いられます。 脱酸素化血液は、晴れた日の空のような「青色」ではなく、非常に濃い赤色で、体の表在静脈を通して見ると青っぽく見えることがあります（前腕や手の静脈の色をチェックしてみてください）。