血红蛋白存在于几乎所有的脊椎动物体内，在某些 [[ 无脊椎动物 ]] 组织也有分布。血液中的血红蛋白从呼吸器官中将氧气运输到身体其他部位释放，以满足机体氧化营养物质支持功能运转之需要，并将由此生成的二氧化碳带回呼吸器官中以排出体外。在哺乳动物中，血红蛋白占 [[ 红细胞 ]] 干重的97%、总重的35% <ref>[https://www.cndzys.com/renqun/teshu/523113.html 正常血红蛋白的值是多少]，大众养生网，2015-05-30 </ref> 。平均每克血红蛋白可结合1.34ml的氧气，是血浆溶氧量的70倍。一个哺乳动物血红蛋白分子可以结合最多四个氧分子。

血红蛋白也参与其他气体的转运：它能携带机体的部分 [[ 二氧化碳 ]] （大约10%）。亦可将重要的调节分子一氧化氮结合在球状蛋白的某个硫醇基团上，在释放氧气的同时将其释放。

血红蛋白和类血红蛋白分子在许多无脊椎动物、 [[ 真菌 ]] 和 [[ 植物 ]] 中也有分布。在这些机体中，血红蛋白可能携带氧气，抑或扮演转移和调节诸如二氧化碳、一氧化氮、硫化氢和硫化物的角色。其中一种称作豆血红蛋白（Leghemoglobin）的变体分子是用来清除氧气以免毒害诸如豆科植物的固氮根瘤的厌氧系统的。

血红蛋白的每个[[蛋白质亚基|亚基]]由一条[[肽]]链和一个[[血红素]]分子构成，肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形，把血红素分子抱在里面，这条肽链盘绕成的球形结构又被称为[[珠蛋白]] <ref>[http://www.med66.com/new/201202/yu201202074654.shtml 血红蛋白的构成]，医学教育网，2012-02-07</ref> 。血红素分子是一个具有[[卟啉]]结构的小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四个[[吡咯]]环上的[[氮]][[原子]]与一个[[亚铁离子]]配位结合，珠蛋白肽链中第8位的一个[[组氨酸]]残基中的[[吲哚]]侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合，当血红蛋白不与氧结合的时候，有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合，而当血红蛋白载氧的时候，就由[[氧]][[分子]]顶替水的位置。