Die primäre Funktion des Atmungssystems besteht im Gasaustausch zwischen der äußeren Umgebung und dem Körper. Dazu gehören die O2-Aufnahme und die CO2-Ausscheidung in den Lungen. Das Atmungssystem spielt auch eine wichtige Rolle in der Regulation der Säure-Basen-Balance während körperlicher Anstrengungen und bei metabolischer Azidose.  

Das Atmungssystem besteht aus den Lungen, den Atemwegen zu und von den Lungen und aus einer Art von „Pumpe“ (Brustwände und Atemmuskeln), die die Lungen beatmet. Die Lungen sind paarige Organe, die in der Brusthöhle liegen. Die rechte und die linke Lunge sind durch das Herz und andere Strukturen des Mediastinums getrennt. Die rechte Lunge ist in drei, die linke Lunge in zwei Lappen unterteilt. Jede Lunge ist umhüllt von einer schützenden, doppelschichtigen serösen Membran, die als Brustfell bezeichnet wird.  
Das Atmungssystem ist in zwei funktionelle Bereiche unterteilt:

1. Luftleitender Bereich:
   In diesem Bereich findet der Lufttransport zwischen außen und innen statt. Während die eingeatmete Luft durch die oberen Atemwege fließt, wird sie filtriert, befeuchtet und angewärmt.
2. Atmungsbereich:
   Das ist der Bereich der Lungen, in dem der Gasaustausch erfolgt. Dazu gehören die Bronchioli respiratorii (mit kleineren Ansammlungen von Alveolen), die Alveolargänge und die Alveolen. Zum Atmungsbereich gehört auch die Übergangszone.  

Umgebungsluft gelangt in die Lungen und wird mit der Luft ausgetauscht, die sich in den Lungen befindet. Der Vorgang wird als pulmonale Ventilation bezeichnet. Die primäre Funktion der pulmonalen Ventilation ist es, in der alveolären Luft eine konstante Konzentration (Partialdruck) von Sauerstoff und Kohlendioxid aufrechtzuerhalten. Im Ruhezustand atmet ein normaler Mensch 12-15x pro Minute. Pro Atemzug werden 500ml Luft ein- und ausgeatmet, in einer Minute insgesamt 6-8 Liter. Nachdem sie den Nasen- oder Mundraum sowie Pharynx, Larynx und Luftröhre durchströmt hat, wird die eingeatmete Luft in den rechten und linken Hautbronchus geleitet, die beiden größten Luftwegen der Lungen. Die Hauptbronchien verzweigen sich weiter in zahlreiche kleinere Bronchien und Bronchiolen. Diese wiederum leiten die Luft zu den Alveolen weiter, den grundlegenden funktionellen Bauelemente der Lungen.

In den Alveolen, die von Lungenkapillaren umgeben sind, erfolgt der Gasaustausch. Der Austausch von O₂ und CO₂ zwischen der alveolären Luft und dem Blut in den Lungenkapillaren geschieht durch einfache Diffusion. Gasmoleküle diffundieren von den Alveolen ins Blut oder umgekehrt durch die dünne alveolokapilläre Membran, die aus dem Pulmonalepithel, dem Kapillarendothel und ihren Basalmembranen besteht. Die Gesamtfläche der alveolokapillären Membran in beiden Lungen beträgt etwa 70m².

Die Diffusionsrate ist abhängig von Unterschieden im Partialdruck des Gases über die alveolokapilläre Membran hinweg und von ihrer Fläche. Da der Sauerstoffpartialdruck in den Alveolen höher ist als im venösen Blut, das in den Lungenkapillaren fließt, diffundiert der Sauerstoff von den Lungen ins Blut. Da der Kohlendioxid-Partialdruck im Blut höher ist als in den Alveolen, diffundiert Kohlendioxid vom Blut in die Lungen und wird ausgeatmet. Deoxygeniertes (sauerstoffarmes) Blut fließt aus der rechten Herzkammer in den Lungenkreislauf und gelangt über die Lungenarterien in die Lungenkapillaren. Dort wird es oxygeniert (mit Sauerstoff aufgeladen) und fließt dann über die Lungenvenen zurück zum linken Vorhof des Herzens. Im Ruhezustand gelangen 250ml pro Minute Sauerstoff in den Körper und 200ml Kohlendioxid werden abgeatmet.