A hemoglobin egy összetett fehérje, amely négy polipeptid láncból áll, amelyek mindegyike egy globin doménné van hajtogatva. Minden globin domén tartalmaz egy vasiont, amely az a hely, ahol az oxigén kötődik. A négy polipeptid lánc tetraéder alakban van elrendezve, a vasionok a tetraéder sarkaiban helyezkednek el.
Az oxigén kooperatív módon kötődik a hemoglobinhoz, ami azt jelenti, hogy egy oxigénmolekula kötődése a fehérjéhez növeli a maradék három oxigénkötő hely oxigénhez való affinitását. Ez a kooperatív kötődés lehetővé teszi a hemoglobin nagy mennyiségű oxigén hatékony szállítását.
Amikor a hemoglobin eléri a szöveteket, az oxigén koncentrációja alacsonyabb, mint a tüdőben. Emiatt a hemoglobinhoz kötődő oxigénmolekulák egy része disszociál a fehérjéből, és bediffundál a szövetekbe. A szén-dioxid-koncentráció a szövetekben is magasabb, mint a tüdőben, ami miatt a szövetekben lévő szén-dioxid egy része a vörösvértestekbe diffundál, és a hemoglobinhoz kötődik.
A hemoglobin ezután visszaszállítja a szén-dioxidot a tüdőbe, ahol az oxigénkoncentráció magasabb és a szén-dioxid-koncentráció alacsonyabb. Emiatt a hemoglobinhoz kötődő szén-dioxid molekulák egy része disszociál a fehérjéből, és a tüdőbe diffundál, míg a tüdőben lévő oxigénmolekulák egy része a hemoglobinhoz kötődik.
Az emlősök túléléséhez elengedhetetlen az oxigén és a szén-dioxid hemoglobin általi szállításának folyamata. Hemoglobin nélkül az emlősök nem tudnák beszerezni a túléléshez szükséges oxigént, illetve nem tudnának megszabadulni az általuk termelt szén-dioxidtól.