Les échanges gazeux se produisent dans les alvéoles par simple diffusion. Le sang circulant dans les alvéoles est riche en dioxyde de carbone et très pauvre en oxygène. Les molécules de gaz s'écoulent naturellement dans le sens d'une concentration plus faible à travers la fine membrane d'échange de gaz, qui n'a que deux cellules d'épaisseur.
Les alvéoles sont de minuscules structures en forme de ballons qui se gonflent à chaque inhalation. Les membranes qui entourent ces minuscules sacs n'ont qu'une seule cellule d'épaisseur, et elles sont recouvertes d'un fluide spécial pour permettre le gonflage et dissoudre les gaz. Ce fluide contient une substance qui réduit la tension superficielle, ce qui pourrait sinon provoquer l'effondrement des alvéoles. Les sacs ont de minuscules vaisseaux sanguins en contact direct avec eux, et ces vaisseaux sanguins ont également des parois qui n'ont qu'une seule cellule d'épaisseur.
Les alvéoles sont gonflées lorsque le diaphragme se contracte et dilate la cavité thoracique. Cela fait chuter la pression dans les alvéoles en dessous de la pression atmosphérique et l'air s'engouffre pour les gonfler. Cependant, le mélange de gaz dans les poumons est très différent du mélange dans l'air car les poumons libèrent constamment du dioxyde de carbone. Le corps consomme constamment de l'oxygène et crée du dioxyde de carbone par le biais de processus métaboliques, et les poumons ne se vident pas complètement à l'expiration.
