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人体的组织细胞在新陈代谢过程中，不断地消耗氧，并产生二氧化碳。但是，人体本身不能产生氧，储存的氧也只够耗用几分钟，如果不及时补充，很快就会造成缺氧，甚至在短时间内就可使组织器官发生机能和结构的病理改变，特别是代谢率较高的脑组织，更易受缺氧的损害，引起中枢神经系统的机能障碍；另一方面，人体也不断产生二氧化碳，而二氧化碳蓄积过多，必然会产生呼吸性酸中毒，必须随时将其排出。正是这种缺氧和二氧化碳过多可激发人体的呼吸机能，以便不断地从外界吸入氧并排出二氧化碳。机体与外界环境进行的这种气体交换过程，就叫呼吸。
在安静状态下，人体每分钟由肺吸氧约300ml，呼出二氧化碳约250ml。当剧烈地运动或劳动时，气体交换的速度可增加10倍以上。这些呼吸机能的实现，主要靠呼吸器官的机能活动及循环系统的配合，并受神经和体液因素的调节。根据现代的研究，呼吸机能是通过3个连续的过程来实现的。
1. 外呼吸：外界空气经呼吸道在肺泡与肺循环毛细血管内血液间的气体交换。
2. 气体运输：肺循环毛细血管与体循环毛细血管间血液中的气体运输过程。
3. 内呼吸：体循环毛细血管内的血液与组织细胞间的气体交换。
当我们屏住呼吸时，逐渐会感到难受，再开始喘气时则呼吸很急促，要过一会儿才能恢复过来。在运动时，我们的呼吸也同样急促。这是因为在我们的体内有感知空气的感受器，当体内空气不足时，它会将此信息传至大脑。
另外，我们在睡觉时，呼吸是有规则地反复进行的。这是由于体内有控制吸气、吐气、再吸气、再吐气的指令。那么这个指令是从脑内还是从脊髓或肺，或身体的哪个部位发出去的呢？我们经常看到这种情况：有人因交通事故颈椎（背上部的7个骨节处）部受伤后，不仅手足都不能活动，而且呼吸也不能进行，这样的人必须依靠人工呼吸器呼吸。这就表明了发出呼吸指令的是在颈椎的上方，也就是延髓部。
我们先从空气不足的信息怎样送达脑部的过程开始说明。当体内缺少氧气或二氧化碳含量多时，也就是pH值降低时，其感知场所在脑内有一个，在从心脏出来的大动脉与左右的颈动脉上各有一个。
首先讲一下在血管中的血液气体感受器。在人身上的颈总动脉中，有个分开为颈外动脉和颈内动脉的部位。这个部位有个称为颈动脉体的如小米粒大小的器官，另外在大动脉弓的附近，有个称为大动脉体的器官，它们就是血液气体感受器部分。由颈动脉体发出的刺激经过颈动脉窦神经、吞咽神经，到达延髓的呼吸中枢。另外，从大动脉体发出的刺激经过迷走神经，到达延髓的呼吸中枢。
在延髓的呼吸中枢上，有吸气中枢与呼气中枢两种。一般情况下，吸气中枢是有规则的活动，当刺激吸气中枢时，呼吸就会加快。另一方面，呼气中枢仅在有加快呼吸的意图时才活动。也就是说正常时，我们只进行有意识的吸气，而呼气则靠肋骨的压力自然进行。
在大脑中还有能察觉肺的充满度的组织。有一种叫赫布二氏反射，在肺膨胀时它可把肺膨胀的信息传送到吸气中枢，再控制肺的扩张。所以开始吸气时肺膨胀后，这个信息即通过迷走神经传达，控制吸气中枢，吸气被抑制，转变为呼气。
我们经常遇到的是氧气不足，如一氧化碳中毒及氰酸中毒等。此时一氧化碳或氰酸主要影响血红蛋白与细胞色素，使血红蛋白与氧气不能结合。在这种情况下，要使氧的压力增高，使血红蛋白与氧结合后，才能使一氧化碳或氰酸离开血红蛋白，所以对于这种病人常采用高压氧疗法，在一个大容器里，使氧气达到高压。
但是，这并不是说氧对人体无害，有时也会发生氧中毒。比如当我们吸入100%氧气时，就会刺激气管引起咳嗽、咽喉痛。达到1个气压以上时会导致肌肉痉挛、目眩、昏睡，在4个气压下30分钟以上或6个气压下几分钟时，人便进入昏睡状态。所以，在较高气压的氧气中生活时间长的话，会有生命危险。
为什么人不能长时间呼吸纯氧呢？
人体各组织均不能承受过多的氧，这是因为氧本身不靠酶催化就能与不饱和脂肪酸反应，并能破坏贮存这些酸的磷脂，而磷脂又是构成细胞生物膜的主要成分，从而最终造成细胞死亡，这个过程叫做脂质过氧化。此外，氧对细胞的破坏还在于它可产生自由基，诱发癌症。实验证明，毁灭细胞培养物的办法就是将它置于过饱和氧的环境中。