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循环系统是由心脏和各类血管所组成的，并以心脏为动力的封闭管道系统。血液在这个系统中按照一定的方向周而复始地流动称为血液循环。血液循环保证了全身各器官与组织的氧气、营养物质的供应及代谢产物的排出，从而维持着正常的生理功能。人体处于安静状态时代谢速度较慢，运动时代谢速度加快，循环系统的机能也就随着机体活动强度的增加而提高。
机体运动时，新陈代谢显著加快。循环系统的适应性变化以提高心输出量为主，从而满足肌组织的氧耗，及时运走代谢产物。
运动一开始，心输出量即迅速增加，1分钟左右可达到高峰，并维持在该水平。运动时心输出量的增加在一定范围内与运动量和耗氧量成正比。同时，运动时肌肉的收缩挤压、呼吸运动的加强，使回心血量大大增加，为心输出量的增加提供了前提条件。此外，运动时交感缩血管神经兴奋，促使经脉收缩，也有利于提高静脉回心血量。
在回心血量增多的基础上，由于运动时心交感中枢兴奋和心迷走中枢抑制，致使心率加快、心肌收缩力加强、心输出量增加。交感中枢兴奋还能使肾上腺激素分泌增多，也可进一步加强心肌兴奋，提高心输出量。
运动时心输出量增加，但增加的部分并未平均分配至全身各个器官，而是通过体内的调节机制形成全身各器官血流量的重新分配。重新分配的最终目的是使参与运动的器官包括心脏、肝脏和运动的肌肉血流量明显增加，不参与运动的肌肉及内脏的血流量减少。
任何组织的代谢都需要耗氧，并产生各种代谢产物。局部组织中的氧及代谢对该组织局部的血流量起着代谢性自身调节作用。当组织代谢活动增强时，局部组织中氧含量下降，代谢产物积聚增多。组织中氧含量的下降及多种代谢产物，如CO 2 、H + 、腺苷、ATP、K + 等，都能使局部的微动脉和毛细血管前括约肌舒张，肌组织也不例外。因此，当肌肉的代谢活动加强时，局部血流量增多，向肌肉提供更多的氧，并带走代谢产物。这种代谢性局部舒血管效应在机体运动时相当明显，即使同时发生交感缩血管神经活动加强，该局部组织的血管仍能够舒张。
机体运动时各器官血流量的重新分配有着十分重要的生理意义。减少对不参与活动器官的血流分配可保证机体有较多的血流供给运动的肌肉。另外，不参与运动的器官会产生缩血管效应，在不需要心输出量进一步增加的情况下维持动脉血压。
在血液的重新分配中，皮肤的血管存在着先收缩后舒张的情况。在运动开始时，皮肤的血流也是减少的。但随着运动的进行、体温的升高，皮肤血管在体温调节机制的调控下舒张，血流量增加，以增加皮肤的散热。
运动锻炼特别是系统的有氧运动可使安静时心率减慢。据报道，部分耐力运动员安静时心率可低至36～40次/分，这种现象称为窦性心动徐缓。这是由于控制心脏活动的迷走神经作用加强，而安静时交感神经作用减弱，心肌组织β肾上腺素受体减少的结果。窦性心动徐缓是可逆的，即使安静心率已降低至40次/分的运动员，停止训练多年后心率也可恢复到接近正常值。
在竞技体育中，一般认为运动员的窦性心动徐缓是经过长期训练后心功能改善的良好反应，故可将窦性心动徐缓作为判断训练程度的参考指标。
系统的长期的运动锻炼可使心脏增大。运动性心脏增大与病理性心脏增大在功能上有极显著的差别。病理性心脏增大的心脏形态是扩张松弛的，收缩时射血能力弱，射血分数下降，心肌纤维内ATP酶活性下降，即使是轻微的体力负荷也不能承受；而运动性增大的心脏，外形结实、收缩力强，因此运动性心脏增大是机体对长期系统运动的良好适应。
不同的运动方式所形成的心脏增大并不完全相同。长期静力或力量性运动所形成的心脏增大是以心肌增厚为主；长期有氧耐力性运动所形成的心脏增大是以心室容积增大为主，心肌厚度也有所增加。
心肌的血液供应来自左、右冠状动脉。冠状动脉起于主动脉根部，走行于心脏表面。在冠状动脉之间有侧支相互吻合，形成冠状动脉侧支循环。人体心内膜下这种吻合较多。正常心脏的冠脉侧支较小，血流量很少。因此，当冠状动脉突然阻塞时，侧支循环不易快速建立，常导致心肌梗死。而运动可以使侧支循环数量增多，可以使相应心肌缺血症状得到明显改善，降低冠心病发病危险性。