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C'est dans les alvéoles, petits sacs terminant les voies respiratoires, appelés sacs pulmonaires ou vésicules pulmonaires, que se produisent les échanges gazeux. Ils sont tapissés d'une paroi très fine contenant les capillaires. Ceci permet aux alvéoles d'assurer leur rôle, qui est de transmettre l'oxygène au sang et d'en extraire le dioxyde de carbone.
La respiration externe, pulmonaire, permet la transformation du sang désoxygéné qui vient du cœur en sang oxygéné, qui y retournera pour être redistribué à l'ensemble du corps. Les échanges entre les alvéoles et le sang sont fonction des différences des pressions partielles, un gaz diffusera de la pression élevée vers la pression basse selon la loi de Fick.
A l’inspiration, le diaphragme se contracte et s’abaisse, le thorax s’agrandit, l’air extérieur, chargé d’oxygène, pénètre dans les poumons et remplit les alvéoles.
C’est grâce à de minuscules vaisseaux qui forment le réseau capillaire que vont s’effectuer les échanges entre alvéoles et sang : l’oxygène de l’air contenu dans les alvéoles passe dans le sang, dans les globules rouges et arrive au cœur qui l’envoie dans tout le corps. Le gaz carbonique du sang passe, lui, dans l’air que contiennent les alvéoles
A l’expiration, le diaphragme s’élève, le thorax diminue de volume et l’air, chargé de gaz carbonique est expulsé vers la trachée.
Une particularité au niveau des poumons. Le sang riche en oxygène envoyé par le cœur à tous les tissus du corps passe dans les artères (c’est le sang rouge), et le sang chargé de gaz carbonique revient au cœur par les veines (c’est le sang bleu). Au niveau des poumons c’est l’inverse : le sang riche en gaz carbonique va du cœur aux poumons par l’artère pulmonaire, le sang riche en oxygène va des poumons au cœur par la veine pulmonaire.