Η ανταλλαγή αερίων είναι μια διαδικασία που λαμβάνει χώρα ως μέρος της αναπνοής, επιτρέποντας σε έναν οργανισμό να ανταλλάσσει απαέρια με αέρια που χρειάζεται για να λειτουργήσει. Στην περίπτωση των ανθρώπων και άλλων θηλαστικών, αυτό επιτρέπει την έκφραση διοξειδίου του άνθρακα και την πρόσληψη οξυγόνου. Η ανταλλαγή αερίων λαμβάνει χώρα κατά μήκος της αναπνευστικής μεμβράνης, όπως η επένδυση των πνευμόνων στα ζώα, και το κυκλοφορικό σύστημα του οργανισμού επιτρέπει στα αέρια να κινούνται σε όλο το σώμα. Στα μονοκύτταρα ζώα, η ανταλλαγή αερίων επιτρέπει στα αέρια να κινούνται ελεύθερα απευθείας μέσα και έξω από το κύτταρο.
Στα φυτά, τα φύλλα λειτουργούν ως αναπνευστική μεμβράνη, με μικρά τριχοειδή αγγεία στα φύλλα που μεταφέρουν αέρια και θρεπτικά συστατικά σε όλο το δέντρο. Ζώα όπως τα αμφίβια μπορεί να βασίζονται στο δέρμα τους για την ανταλλαγή αερίων, ενώ τα βραγχωμένα ζώα όπως τα ψάρια χρησιμοποιούν τη μεγάλη επιφάνεια των βραγχίων για να τραβήξουν το διαλυμένο οξυγόνο από το νερό και στο σώμα τους.
Κάθε φορά που ένα άτομο παίρνει μια ανάσα, αέρας πλούσιος σε οξυγόνο και άλλα αέρια εισέρχεται στους πνεύμονες. Ο αέρας μετακινείται από μια περιοχή υψηλής πίεσης, τον γεμάτο πνεύμονα, σε μια περιοχή χαμηλής πίεσης, μια από τις κυψελίδες, τους μικροσκοπικούς σάκους που επενδύουν τους πνεύμονες. Από εκεί, το οξυγόνο περνά μέσα από μια λεπτή μεμβράνη στα τριχοειδή αγγεία που τροφοδοτούν τον πνεύμονα, όπου συνδέεται με την αιμοσφαιρίνη για μεταφορά σε όλο το σώμα. Καθώς το αίμα κυκλοφορεί, μεταφέρει επίσης απόβλητα όπως το διοξείδιο του άνθρακα, παραδίδοντάς τα στους πνεύμονες για ανταλλαγή αερίων, ώστε να μπορούν να εξαναγκαστούν να βγουν από τις κυψελίδες και να εκπνεύσουν όταν το άτομο εκπνέει.
Τα άτομα που έχουν δυσκολία στην αναπνοή μπορεί να αρχίσουν να αναπτύσσουν υποξία, μια κατάσταση όπου δεν φτάνει αρκετό οξυγόνο στο σώμα. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν η ανταλλαγή αερίων αναστέλλεται από υγρό στους πνεύμονες, όταν ένας πνεύμονας δεν μπορεί να φουσκώσει σωστά ή όταν παρεμποδίζεται ο αεραγωγός. Ένας ασθενής που δεν μπορεί να αποβάλει διοξείδιο του άνθρακα και να λάβει οξυγόνο σε αντάλλαγμα, θα αρχίσει να εμφανίζει μπλε χρώμα των άκρων και μπορεί να λαχανιάζει για αέρα.
Σε ένα περιβάλλον πλούσιο με άλλο αέριο, όπως το άζωτο, αυτό το αέριο μπορεί να εκτοπίσει το οξυγόνο, καθιστώντας αδύνατο το οξυγόνο να φτάσει στους πνεύμονες. Ένας ασθενής μπορεί να μπορεί να αναπνέει κανονικά, αλλά επειδή δεν πραγματοποιείται ανταλλαγή αερίων με οξυγόνο, το άτομο θα λιμοκτονεί σιγά σιγά από οξυγόνο. Ανάλογα με το αέριο που αναπνέει, οι ασθενείς μπορεί να εμφανίσουν συμπτώματα όπως ζάλη, σύγχυση και υπνηλία πριν υποκύψουν σε κώμα και τελικά θάνατο λόγω έλλειψης οξυγόνου.