L'ossigeno (legato all'emoglobina nei globuli rossi) è la sostanza più importante trasportata dal sangue. In tutte le arterie tranne l'arteria polmonare, l'emoglobina è altamente saturata con l'ossigeno (95-100%), mentre in tutte le vene tranne la vena polmonare è desaturata a circa il 70%: tali valori si invertono nella circolazione polmonare.