红细胞内含大量血红蛋白(Hb)，红细胞的机能主要由血红蛋白完成。血红蛋白除作为血液缓冲物质而发挥作用外，其主要功能在于携带氧气(O₂)和二氧化碳(CO₂)。

血红蛋白分子是由珠蛋白、原卟啉和二价铁离子(Fe²⁺)所组成的结合蛋白质。有4条肽链各结合一个辅基即血红素，O₂即结合于Fe²⁺上，血红蛋白与氧疏松结合形成氧合血红蛋白(HbO₂)，这种氧合作用于氧分压高时容易进行，于氧分压低时易于解离。红细胞结合和携带O₂的过程并不影响二价铁离子，也即是说不使氧化为三价铁离子；Fe³⁺无带O₂能力，只见于异常的高铁血红蛋白。CO与Hb的亲和力大于O₂，结合成HbCO后不能 重新分离致使Hb丧失运输O₂和CO₂的机能，此称一氧化碳中毒即煤气中毒。Hb结合和携带O₂，并不耗能，而红细胞保持双凹圆形和膜的完整性以及保持低铁Hb则需耗能，其能量来自葡萄糖酵解和磷酸戊糖旁路，并以ATP形式提供膜上Na⁺- K⁺泵活动来完成。