肺泡与肺循环毛细血管血液之间以及组织毛细血管血液与组织之间的氧和二氧化碳的交换。前者称肺气体交换，后者称组织气体交换。

气体在肺泡与血液间的交换是通过呼吸膜进行的。呼吸膜由毛细血管内皮、毛细血管基膜、间隙、肺泡上皮层、肺泡内液体层和单分子表面活性物质层构成。呼吸膜的气体通透性大，氧和二氧化碳靠着分子的扩散作用在肺泡和肺毛细血管间交换流动。扩散作用的动力是呼吸膜两侧各气体的分压差。进入肺毛细血管中的血液为静脉血，其中二氧化碳分压高，氧分压低；而肺泡在肺通气的作用下不断摄取外界空气，保持氧分压高和二氧化碳分压低的水平。这样，肺泡与肺毛细血管相比较，肺泡内氧分压（约为13.3千帕）高于静脉血（5.332～6.665千帕）；肺毛细血管二氧化碳分压（约为6.1318千帕）高于肺泡（约为5.332千帕）。在气体分压差的作用下，氧便从肺泡向肺毛细血管扩散，二氧化碳从血液向肺泡扩散。结果使肺毛细血管血液氧分压提高，静脉血转化为动脉血，沿血液循环将氧运至全身组织；肺泡内二氧化碳相对增加，随呼吸运动排到体外。

除气体分压差外，影响气体交换的还有一些物理的、生理的或病理的因素。在同样分压条件下，气体分子的扩散速度与该气体溶解度成正比，而与分子量的平方根成反比。二氧化碳在血浆中的溶解度为氧的24倍，而二氧化碳分子量大于氧。如果从气体分压、溶解度和分子量来考虑，二氧化碳的扩散速度约为氧的2倍。单位时间内气体的扩散量与扩散面积成正比。在运动时，肺毛细血管开放数量增多，扩散面积增大，气体的扩散量也增大。一般情况下呼吸膜对气体通透性极大，但在某些病理状态下如肺内有渗出物或肺泡间质水肿，将导致呼吸膜通透性降低，妨碍气体交换。肺部气体交换的效率，还取决于肺循环血流量以及肺通气和血流量的比值，即单位时间内的血流量多，则带走的氧和排出的二氧化碳也多。从机体的调整来看，在耗氧量增加和二氧化碳产生增多的情况下，不仅要加大肺泡通气量以获取更多的氧和排出更多的二氧化碳，而且也要相应增多肺的血流量，才能适应获氧和排出二氧化碳的需要，即肺泡通气量与心输出量之间要有一个合适的比值。

血液同组织之间的氧和二氧化碳交换以组织液为中介，也靠扩散作用进行。其扩散方向和速度取决于各气体在组织毛细血管与组织之间的分压差。由于组织细胞不断地利用氧和产生二氧化碳，因而氧分压（2.666～5.332千帕）低于动脉血（约为13.3千帕），而二氧化碳分压（5.9985～7.332千帕）则高于动脉血（约为5.332千帕）。二氧化碳扩散入组织毛细血管，氧由组织毛细血管扩散入组织，结果使动脉血转化为静脉血。组织代谢越旺盛，组织气体交换速度也就越快。