Amikor a vörösvértestek áthaladnak a tüdőn, a hemoglobin a légzsákokban (alveolusokban) lévő oxigénmolekulákhoz kötődik. Az oxigénnel dúsított hemoglobin ezután áthalad a véráramon, amíg el nem éri a szöveteket, ahol az oxigénmolekulák felszabadulnak a hemoglobinból, és felveszik a sejtek.
A hemoglobin szerepet játszik a szén-dioxid szövetekből a tüdőbe történő visszaszállításában is. A szén-dioxid egy salakanyag, amelyet a szervezet sejtjei termelnek. A hemoglobin hordozza karbaminohemoglobin nevű vegyület formájában.