血液中物理溶解的O2量极少，不到血液总O2含量的1.0%，但它却是O2在血液运输过程中的重要环节。在假设温度和溶解度不变的情况下，O2的溶解量取决于PO2的大小，PO2高，溶解多；PO2低，溶解少。动脉血PO2是比较稳定的，一般是13.3 kPa（100 mmHg），在此PO2下每100 ml血液仅溶解0.3 ml O2。
O2的化学结合形式是HbO2，氧合血红蛋白。Hb是红细胞内的色蛋白，它的分子结构特征使之成为极好的运O2工具。Hb还参与CO2的运输，所以在血液气体运输方面Hb占有极为重要的地位。
每1个Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素，又称亚铁原卟啉组成。每个血红素又由4个吡咯基组成一个环，中心是一Fe原子。每个珠蛋白有4条多肽链，每条多肽链与一个血红素相连接构成Hb的单体或亚单位。Hb是由4个单体构成的4聚体。Hb的4个单体之间和单体内部由盐键连接，Hb与O2的亲和力也随之改变，这是Hb氧离曲线呈S型和波尔效应的基础。
（1）Hb与O2的可逆结合：Hb和O2结合或离解是受PO2影响的，当PO2高时，Hb与O2结合成HbO2，而当PO2低时，HbO2则解离成Hb和O2，此反应不需酶催化，反应速度就很快，而且可逆。
（2）Hb与O2的结合反应是氧合而不是氧化：在此反应中，Fe2+与O2结合后仍是二价的铁，所以该反应是氧合，而不是氧化。而且只有在血红素的Fe2+与珠蛋白多肽链的组氨酸结合后，作用点才起作用，单独的血红素不是有效的O2载体。
（3）结合量：一分子Hb可以结合4分子O2，Hb分子量是64000～67000，所以1gHb可以结合1.34～1.39 ml O2，视Hb纯度而异。健康成人，如Hb的量为150 g/L，则1 L血液能结合O2的最大量约为200 m1。
血红蛋白氧容量：1L血液中Hb能结合O2的最大量。
血红蛋白氧含量：1L血液中Hb实际结合O2的量。
血红蛋白氧饱和度：血红蛋白氧含量 占血红蛋白氧容量的百分数。
在通常情况下，血中溶解的O2甚少，比起结合的O2可忽略不计。因此常常把血红蛋白氧容量叫做血氧容量（Oxygen Capacity），把血红蛋白氧含量叫做血氧含量（Oxygen Content），把血红蛋白氧饱和度叫做血氧饱和度（Oxyhemoglobin Saturation）。
HbO2呈鲜红色，氧离Hb呈紫蓝色。如果血液中含HbO2多，则血液呈鲜红色，如动脉血；如果血液中含氧离Hb多，则血液呈紫蓝色，如静脉血。假如毛细血管床血液中氧离Hb含量达50 g/L以上时，皮肤、粘膜呈紫蓝色，称为发绀。紫绀一般是HbO2减少；氧离Hb增加所造成。因此，紫绀一般是缺氧的标志。值得注意的是，有些严重贫血的病人，虽然存在缺O2，但由于Hb总量太少，以致毛细血管床血液中氧离Hb达不到50g/L故不出现紫绀；相反，有些患高原性红细胞增多症的人，虽然不存在缺O2，但因为Hb总量很多，以致毛细血管床血液中氧离Hb可达50g/L以上，而出现紫绀。此外，在CO中毒时，CO与Hb结合生成HbCO，呈樱桃红色。由于CO与Hb结合的能力是O2的210倍，故O2很难与Hb结合，造成缺O2。但此时氧离Hb并末增多，因此不出现紫绀，而呈现樱桃红色。
（4）Hb与O2的结合或解离曲线呈S型，与Hb的变构效应有关。目前认为Hb有两种构型：氧离Hb为T型，紧密型，氧合Hb为R型，疏松型。当O2与Hb的Fe2+结合后，Fe2+的电子自旋状态改变，原子半径变小，并移入卟啉环平面内， 盐键逐步断裂，Hb分子逐步由T型变为R型，对O2的亲和力逐步增加，R型的O2亲和力为T型的数百倍。也就是说，Hb4个亚单位无论在结合O2或释放O2时，彼此间有协同效应，即一个亚单位与O2结合后，由于变构效应的结果，其他亚单位更容易与O2结合；反之，当HbO2的一个亚单位释放出O2后，其他亚单位也更容易释放O2。因此，Hb氧离曲线呈S型。
氧离曲线(Oxygen-hemoglobin Dissociation Curve)表示PO2与Hb氧结合量或血氧饱和度关系的曲线。该曲线既表示不同PO2下，O2与Hb的分离情况，同样也反映不同PO2时，O2与Hb的结合情况。上面已提到曲线呈S型，是Hb变构效应所致。
（1）氧离曲线的上段：
相当于PO2为8～13.3kPa（60～100mmHg），即PO2较高的水平，因而认为PO2的变化对Hb氧饱和度影响不大。例如PO2为13.3kPa（100mmHg）时（相当动脉血PO2），血氧饱和度约为97.4%，氧含量约为194ml/L（19.4ml/dl）；如将吸入气中PO2提高到20kPa（150mmHg），血氧饱和度为100%，只增加了2.6%，这就解释了为何VA/Q不匹配时，肺泡通气量的增加无助于O2的摄取；反之，如使PO2下降到9.3kPa（70mmHg），血氧饱和度为94%，也不过只降了3.4%。因此，即使吸入气或肺泡气PO2有所下降，如在高原、高空或某些呼吸系统疾病时，但只要PO2不低于8kPa（60mmHg），血氧饱和度仍能保持在90%以上，血液仍可携带足够的O2，不致于发生明显的低氧血症。
（2）氧离曲线的中段：
该段曲线较陡，相当于PO2为8～5.3kPa（60～40mmHg），是HbO2释放O2的部分。PO25.3kPa（40mmHg），相当于混合静脉血的PO2，此时血氧饱和度约为75%，氧含量约为144ml/L（14.4ml/dl），即每1L血液流过组织时释放了50mlO2。血液流经组织时释放出的O2容积所占动脉血氧含量的百分数称为O2的利用系数，安静时为25%左右。以心输出量5L计算，安静状态下人体每分钟耗O2量约为250ml。
（3）氧离曲线的下段：
该段相当于PO2为5.3-2kPa（40～15mmHg），也是HbO2与O2解离的部分，是曲线坡度最陡的一段，意即PO2稍降，HbO2就可大大下降。在组织活动加强时，PO2可降至2kPa（15mmHg），HbO2进一步解离，血氧饱和度降至更低水平，氧含量仅约44ml/L（4.4ml/dl），这样每1L血液能供给组织150ml O2，O2的利用系数提高到75%，是安静时的3倍。可见该段曲线代表O2储备。
氧离曲线反映Hb和O2的亲和力的变化。通常用P50表示Hb对O2的亲和力。P50是使血氧饱和度达到50%时的PO2，正常为3.5kPa（26.5mmHg）。P50增大，表明Hb对O2的亲和力降低，需更高的PO2才能达到50%的血氧饱和度，曲线右移；P50降低，表示Hb对O2亲和力增加，达50%的血氧饱和度所需的PO2降低，曲线左移。影响Hb和O2亲和力或P50的因素有血液的pH、PCO2、温度和有机磷化物。
（1）pH和PCO2的影响：
血液[H+]和CO2增加均使氧离曲线右移，可解离更多的O2供组织利用。这与pH改变时Hb构型变化有关。酸度增加时，促使Hb分子构型变为T型，从而降低了对O2的亲和力，更易释放O2，曲线右移；酸度降低时，促使Hb变为R型，对O2的亲和力增加，曲线左移。酸度对Hb氧亲和力的这种影响，称为Bohr效应。Bohr效应的机制与pH改变时，Hb构型变化有关。酸度增加时，促使Hb变为T型，酸度降低时，促使Hb变为R型。PCO2的影响，一方面是通过PCO2改变时，pH也改变的间接效应，另一方面也通过CO2与Hb结合而直接影响Hb与O2的亲和力，不过后一效应极小。酸和CO2的影响效应有重要的生理意义，它有利于活动组织（酸性代谢产物与CO2增多）从血液中获得更多的O2，也有利于肺泡毛细血管中的Hb（排出CO2后）与O2结合。
（2）温度的影响：
温度升高（如在运动的肌肉中），曲线右移可解离更多的O2供组织利用。温度的影响可能与H+的活动度有关，即当温度升高时，H+的活动度增加，对Fe2+和O2结合的珠蛋白肽链分子构型变化的阻碍作用加强，使HbO2趋于解离。
（3）2，3-二磷酸甘油酸(2，3-DPG)的影响：
红细胞中含有多种有机磷化物，特别是2，3-DPG在调节Hb对O2的亲和力中起重要作用。2，3-DPG浓度升高，Hb对O2的亲和力降低，氧离曲线右移；2，3-DPG浓度降低，Hb对O2的亲和力增加，曲线左移。其机制可能是2，3-DPG与Hb的β链形成盐键，促使Hb变成T型的缘故。此外，2，3-DPG可能提高[H+]，进而也可影响Hb对O2的亲和力。 2，3-DPG是红细胞无氧糖酵解的产物。用枸椽酸一葡萄糖液保存3周以上的血液，由于糖酵解停止，红细胞 2，3-DPG含量下降，Hb不易与O2解离。所以用大量贮存血液给病人输血，其运O2功能较差。
Hb不仅有运O2功能，还可缓冲组织氧分压，使组织氧分压不致因组织代谢水平的高低或外环境PO2的变动而发生很大的波动。
正常人在安静状态，组织平均需O2量是250ml/L，从氧离曲线可以看出，血液流经组织时PO2只需下降到5.3kPa（40mmHg）就可满足这一需氧量。所以组织正常PO2的上限应是5.3kPa（40mmHg），剧烈运动时， O2耗量增加，组织PO2只需略为下降，HbO2释放的O2量就可增加很多，因为这时是在氧离曲线很陡的下段。因此，组织PO2很少下降至2.6kPa（20mmHg）以下。可见虽然机体因活动强度的不同，需O2量随时有较大的变动，但是由于氧离曲线 的特性，保证组织内氧分压变动较小，仅在PO22.67～5.33kPa（20～40mmHg）范围内变动即可。
同时，组织的氧分压也不会因外环境的PO2大幅度的波动而发生很大的变化。例如在吸入高压O2时，即使高达66.67kPa （500mmHg），动脉血血氧饱和度最多也不过100%，比正常只增加3%，溶解的O2也只稍有增加。血液流经组织时，组织内的PO2也只是略有增加而已。其结果是，肺泡气PO2虽发生了较大变化，组织PO2的变动却很小。表明Hb不仅有结合和解离O2的功能，还有缓冲组织氧分压的功能。