红细胞的主要功能分子是血红蛋白，佔红细胞的90%。血红蛋白是一种含有血红素的蛋白质分子，它可以在肺部或鳃部与氧气分子结合，然后在身体的组织中将结合的氧气分子释放。氧气分子可以很容易地以扩散方式通过红细胞的细胞膜。血红蛋白也可以运送有机体使用氧气后产生的二氧化碳（不到氧气总量的2%，更多的二氧化碳由血浆来运输）。另一种相关的蛋白质分子肌红蛋白，可以在肌肉细胞中存储氧气。此外，血红蛋白与一氧化碳的结合活性要远高于氧气，因此当空气中存在一定量的一氧化碳时，血红蛋白失去携氧能力，导致一氧化碳中毒，严重时可致死。