血红蛋白中铁(II)能可逆地结合氧分子，取决于氧分压。与氧结合时，血红素中的二价铁化学价不变，形成呈鲜红色的氧合血红蛋白，与氧解离后带有淡蓝色。与氧结合的具体过程非常神奇：没有氧存在时，四个亚基间相互作用力很强；氧分子越多，与血红蛋白结合力越强。首先一个O与血红蛋白四个亚基中的一个结合，与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化；这种变化使得第二个氧气分子相比于第一个氧气分子更容易寻找血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个氧气分子的结合；以此类推，直到构成血红蛋白的四个亚基