肺泡和血液之间，血液和组织之间氧和二氧化碳的交换。为气体分子顺其分压差趋向平衡的方向。需透过有关交换膜，即：肺泡内表面层的液膜，其中含肺泡表面活性物质；肺泡上皮细胞膜；肺毛细血管内皮的基膜和肺毛细血管上皮等结构的弥散过程。例如肺泡气的氧分压较混合静脉血高，氧必然从肺泡向毛细血管弥散，而混合静脉血的二氧化碳分压高，则二氧化碳必然由肺毛细血管向肺泡弥散。氧、二氧化碳易溶于脂肪，这些气体弥散透过肺泡上皮细胞膜和肺毛细血管内皮细胞膜，都不会受阻，而氧与二氧化碳需通过细胞间液和血浆时，由于呼吸气体在水中溶解度不同，弥散速率亦不同。气体交换速率与气体弥散速率、弥散面积与距离、及呼吸膜两边分压差等因素有关。
气体在肺的交换 气体在肺的交换可用肺的弥散量DL为指标，即单位时间内（分钟）所摄取气体容积（V）与气体在肺泡膜两侧分压差（P1-P2）的比值：
在静息条件下，血流通过肺毛细血管时间约0.75秒。在肺毛细血管起始端，肺泡气与静脉血之间氧分压差很大，所以扩散速度很快；二氧化碳分压差虽较小，但扩散速度却比氧还快。约经0.3秒，血液中氧和二氧化碳分压即可与肺泡气达到平衡，静脉血变成动脉血。氧的弥散量一般用间接方法测量，健康成人静息时，氧的肺弥散量平均约为33毫升/分钟·毫米汞柱，肺泡气—肺毛细血管血液平均氧分压差约为7.6毫米汞柱（1毫米汞柱=0.133千帕）。
气体在组织的交换 体循环中毛细血管与组织细胞间的气体交换，与气体在肺交换相似，但气体在组织交换都是通过液体，而弥散膜两边气体分压差，随组织活动和细胞内氧化代谢程度而不同。如当骨骼肌处于静息状态时，耗氧量少，产生二氧化碳也少，动脉血中氧分压与肌肉组织中氧分压差较小。静息时毛细血管多数处于闭合状态，毛细血管与细胞之间的距离较大，血流量也较少，由此毛细血管向组织弥散的氧量将减少。反之，当肌肉运动时，组织耗氧量增加，产二氧化碳也增加，组织中氧分压减小而二氧化碳分压高，有利于氧从毛细血管动脉端弥散入组织，也有利于二氧化碳从组织向毛细血管弥散，使动脉血变成静脉血。