L'appareil respiratoire a pour rôle de permettre les échanges d'oxygène et de gaz carbonique entre l'organisme et son milieu.
Le sang circule dans toutes les lamelles, dans la même direction, de l'extérieur vers l'intérieur du système branchial. Les branchies sont irriguées par un important réseau de vaisseaux sanguins.
Il faut savoir que du sang circule dans les lamelles branchiales qui sont en rapport direct avec l’eau.
Chez un poisson banal, le cœur ne reçoit que du sang veineux qui est envoyé aux branchies pour l'hematose.
Lorsqu'il y a un organe respiratoire accessoire, il est branché en dérivation sur l'appareil circulatoire de telle sorte que du sang hématosé (c’est à dire du sang veineux convertit en sang artériel) fait retour au cœur (ou au système veineux) où il se mélange au sang veineux.
Les vaisseaux sanguins sont très finement subdivisés en capillaires et ainsi, le sang est séparé de l'eau par deux couches de cellules, l'une étant la paroi du capillaire, l'autre étant l'épithélium, tissu formé par des cellules juxtaposées, de la branchie.
Le sang des poissons contient un pigment rouge, fixé sur des cellules spéciales, les hématies ou érythrocytes. Les propriétés de l'hémoglobine vis-à-vis de l'oxygène se traduisent par une courbe de dissociation dont les caractéristiques principales sont le pouvoir oxyphorique, c'est-à-dire la quantité maximale d'oxygène qui peut être fixée, les tensions de charge et de décharge qui expriment la capacité de la molécule à fixer l'oxygène ou à le libérer, suivant la tension de l'oxygène.
Chez certaines espèces de poisson vivant dans les eaux froides, le sang est incolore et dépourvu d'hématies, on a observé au niveau des branchies et au niveau de la peau un réseau capillaire particulièrement dense ; ces animaux peu actifs vivent dans des eaux très froides, donc riches en oxygène ; l'absence des hématies diminue la viscosité du sang dont la circulation peu être accélérée.
L'oxygène dissout passe à travers les membranes des branchies dans le sang et le dioxyde de carbone passe du sang dans l'eau.