Kırmızı kan hücreleri akciğerlerden geçtiğinde, hemoglobin hava keselerindeki (alveoller) oksijen moleküllerine bağlanır. Oksijenli hemoglobin daha sonra kan dolaşımından geçerek dokulara ulaşır, burada oksijen molekülleri hemoglobinden salınır ve hücreler tarafından alınır.
Hemoglobin ayrıca karbondioksitin dokulardan akciğerlere geri taşınmasında da rol oynar. Karbondioksit, vücuttaki hücreler tarafından üretilen atık bir üründür. Hemoglobin tarafından karbaminohemoglobin adı verilen bir bileşik formunda taşınır.