Når røde blodlegemer passerer gjennom lungene, binder hemoglobin seg til oksygenmolekyler i luftsekkene (alveolene). Det oksygenerte hemoglobinet går deretter gjennom blodet til det når vevene, hvor oksygenmolekylene frigjøres fra hemoglobinet og tas opp av cellene.
Hemoglobin spiller også en rolle i transport av karbondioksid fra vevet tilbake til lungene. Karbondioksid er et avfallsprodukt som produseres av cellene i kroppen. Det bæres av hemoglobin i form av en forbindelse kalt karbaminohemoglobin.