紅細胞含有血紅素（hemoglobin），其具有緩衝的作用。血紅素十分活躍，它既能和氧結合在一起，也能和二氧化碳結合。因此，其主要工作爲運輸氧和二氧化碳。紅細胞的功能是運輸氧，二氧化碳，電解質，葡萄糖以及氨基酸這些人體新陳代謝所必須的物質。此外還在酸鹼平衡中起一定的緩衝作用。這兩項功能都是通過紅細胞中的血紅蛋白來實現的。如果紅細胞破裂，血紅蛋白釋放出來，溶解於血漿中，即喪失上述功能。
紅細胞通過血紅蛋白運送氧氣，紅細胞的90%由血紅蛋白組成。血紅蛋白是一種紅細胞相關的化合物肌紅蛋白，在肌肉細胞中存儲氧氣。血紅蛋白（Hb）由珠蛋白和亞鐵血紅素結合而成。血液呈現紅色就是因爲其中含有亞鐵血紅素的緣故。它可以在肺部或腮部臨時與氧氣分子結合，該分子中的Fe2+在氧分壓高時，與氧結合形成氧合血紅蛋白（HbO2）；在氧分壓低時，又與氧解離，身體的組織中釋放出氧氣，成爲還原血紅蛋白，由此實現運輸氧的功能。血紅蛋白也可以運送由機體產生的二氧化碳（不到氧氣總量的2%，更多的二氧化碳由血漿解決）。血紅蛋白中Fe2+如氧化成Fe3+，稱高鐵血紅蛋白，則喪失攜帶氧氣的能力。血紅蛋白與一氧化碳的親和力比氧的大210倍，在空氣中一氧化碳濃度增高時，血紅蛋白與一氧化碳結合，因而喪失運輸氧的能力，可危及生命，稱爲一氧化碳中毒（即煤氣中毒）。
每個紅細胞含有兩億到二十億個血紅素分子，佔了紅細胞重量的三分之一。每個血紅素分子由四個次體構成，每個次體包含一個血基質（heme）以及一個和血基質連接的多肽。血紅素內的多肽稱爲球蛋白（globin），而每個血基質當中有一個鐵原子，此處可以和一個氧分子結合。因此，一個血紅素可以和四個氧分子結合。女性血紅素的平均濃度爲14g/L，男性的血紅素平均濃度爲16g/L。在體內，不是隻有血紅素含有鐵原子，像細胞色素是另外一種含鐵原子的分子。
肺中的氧氣張力高，血紅素在微血管中與氧結合，形成充氧血紅素，充氧血紅素在氧氣張力較低的組織微血管中釋出氧氣。而二氧化碳是以碳酸、重碳酸離子以及鉀和鈉的重碳酸鹽的形式進行運輸。血紅素和氧結合時，血液就變得鮮紅，變成動脈血，和二氧化碳結合時，血液就變得暗紅，變成靜脈血。
血紅素既能和它們很快地結合，而且還能夠和它們分開。當紅細胞流經肺裏的時候，它就跟氧結合在一起並把氧運送到人體全身的各個角落裏，讓肌肉、骨骼、神經等細胞得到氧氣，能夠正常地工作。紅細胞把氧氣送出後就很快地和氧氣分離，立刻帶走了這些細胞排出的二氧化碳，運回肺部呼出體外。
另外，並非所有的血紅素的構造都相同，例如胎兒的血紅素比成年人的血紅素有着更強的氧親和力，在任何氧分壓下，都有着比母親血紅素爲高的百分比，因而能從母親的血液中獲取氧，胎兒出生後二十個星期，血紅素就變爲成年人的形式了。
紅細胞就是這樣忠誠地把氧氣運輸給人身體組織的各部位，再從各部位運送出代謝產物二氧化碳，所以紅細胞是我們人體內不可缺少的“運輸隊”。
紅細胞中的血紅蛋白
成熟的紅細胞沒有細胞核， 富含血紅蛋白。血紅蛋白是一種含鐵的蛋白質，呈紅色。它在氧含量高的地方容易與氧結合，在氧含量低的地方又容易與氧分離。血紅蛋白的這一特性，使紅細胞具有運輸氧氣的功能。
紅細胞的另一功能
紅細胞除可運送氧氣外，還可運送部分來自組織細胞中的二氧化碳。
