In de bloedbaan wordt het grootste deel (meer dan 98%) van de zuurstof getransporteerd in chemische combinatie met hemoglobine, een gespecialiseerd eiwit dat in rode bloedcellen wordt aangetroffen. Zuurstof bindt zich reversibel aan hemoglobine in de longen, waar de zuurstofconcentratie hoog is, en komt vrij in weefsels waar de zuurstofconcentratie lager is. Slechts een kleine hoeveelheid zuurstof (minder dan 2%) wordt opgelost in het bloedplasma, vergelijkbaar met de manier waarop zuurstof oplost in water.