A principal função do sistema respiratório é proporcionar as trocas gasosas entre o ambiente exterior e o corpo como um todo; isto inclui os processos responsáveis pelo consumo de O₂ e a expiração de CO₂ nos pulmões. O sistema respiratório também tem uma função importante na regulação do equilíbrio da relação ácido-base durante o exercício e acidose metabólica.

O sistema respiratório consiste nos pulmões, vias respiratórias, que entram (e saem) dos pulmões e uma bomba (músculos das paredes do peito e músculos respiratórios) que ventilam os pulmões. Os pulmões são órgãos emparelhados, situados na cavidade torácica.  O pulmão direito e o esquerdo estão separados pelo coração e outras estruturas do mediastino. O pulmão direito está separado em três lóbulos e o esquerdo em dois lóbulos. Cada pulmão está protegido por uma membrana serosa de camada dupla chamada pleura.

O sistema respiratório está dividido em duas zonas funcionais:

1. Zona condutora
   Para transportar ar do e para o exterior. Enquanto passa pela zona condutora, o ar inalado é filtrado, humedecido e aquecido.
2. Zona respiratória
   Esta é a região nos pulmões em que ocorrem as trocas gasosas; inclui os bronquíolos respiratórios (que contém pequenos grupos de alvéolos), canais alveolares e alvéolos. A zona respiratória também contém a zona transitória.

O ar ambiente é trazido para dentro e trocado pelo ar nos pulmões, através do processo de ventilação pulmonar. A função principal da ventilação pulmonar é manter uma concentração constante (pressão parcial) de O₂ e CO₂ no ar alveolar. De resto, um humano normal respira 12-15 vezes por minuto. São inspirados e expirados quinhentos mililitros de ar, ou 6-8 l min^-1 de ar. Depois de passar pelas cavidades nasal ou oral, a faringe, laringe e traqueia, o ar inspirado desce para os brônquios primários direito e esquerdo, que são as duas maiores passagens de ar dos pulmões. Estes brônquios dividem-se então em numerosos pequenos brônquios e bronquíolos que conduzem o ar para os alvéolos, que são o componente funcional básico dos pulmões.

A troca gasosa ocorre nos alvéolos, que estão rodeados pelos capilares pulmonares. A troca de O₂ e CO₂ entre o ar alveolar e o sangue capilar pulmonar ocorre por uma difusão simples. As moléculas de gás difundem-se dos alvéolos para o sangue, ou vice-versa através da fina membrana alvéolo-capilar constituída por epitélio pulmonar, endotélio capilar e as suas membranas basais. A área total da membrana alvéolo-capilar em ambos os pulmões é de cerca de 70 m².

Os valores de difusão dependem das diferenças parciais de pressão do gás através da membrana alvéolo-capilar e esta área. Uma vez que a pressão parcial de O₂ nos alvéolos é superior que aquela no sangue venoso que entra nos capilares pulmonares, o O₂ move-se dos pulmões para o sangue. Uma vez que a pressão parcial de CO₂ no sangue é superior à pressão nos alvéolos, o CO₂ move-se do sangue para os pulmões e é expirado. Desse modo, o sangue desoxigenado (venoso) ejectado do ventrículo direito do coração para o circuito vascular pulmonar, passa através da artéria pulmonar para o leito capilar pulmonar, onde é oxigenado e devolvido à aurícula esquerda do coração através das veias pulmonares. Entram no total 250 ml de O₂ no sangue por minuto e são extraídos 200 ml de CO₂.