Il citoplasma degli eritrociti è d'aspetto omogeneo e contiene una proteina fondamentale affinché essi svolgano la loro funzione principale, cioè quella di trasportatori d'ossigeno, detta emoglobina. L'emoglobina è un tetramero formato da quattro unità di globulina (due catene α e due catene β), che racchiudono ciascuna, in una gabbia di amminoacidi idrofobici, un gruppo eme, contenente ferro bivalente. La particolare posizione del gruppo eme determina la difficoltà per agenti esterni di ossidare il ferro bivalente al suo interno in ferro trivalente, in tal caso infatti l'ossigeno sarebbe legato irreversibilmente alla proteina e quindi inutilizzabile per gli scambi. L'emoglobina con ferro trivalente è detta metaemoglobina, se invece vi si legasse monossido di carbonio sarebbe detta carbossiemoglobina. Nel sangue fetale esistono molte altre emoglobine, con maggiore affinità per l'ossigeno, in particolare fino al 3º mese di gestazione è presente l'emoglobina ε, fino al 6º mese dalla nascita la γ e la δ.