二氧化碳在血液中的运输与氧的运输相似，也有物理溶解和化学结合两种方式。在静脉血中，二氧化碳含量为50~60毫升%，其中物理溶解的只有3毫升，其余都以较复杂的化学结合形式存在。进入血液中的二氧化碳，主要被结合成碳酸氢盐(包括碳酸氢钠和碳酸氢钾)，这要占二氧化碳运输总量的70～80%。
组织细胞在代谢过程中，不断释放出二氧化碳，使它的分压升高，于是从组织扩散到血浆，其中一小部分与水化合成碳酸（H2CO3)，大部分进入红细胞，在特有的碳酸酐酶催化作用下，与水化合成大量的碳酸，碳酸可解离为氢离子(H+）和碳酸氢根离子（HCO3-)，后者又夺取红细胞中的钾离子（K+）形成碳酸氢钾（KHCO3)，或弥散到血浆与钠离子（Na+）化合成碳酸氢钠（NaHCO3)。这些反应都是可逆的。当血液流到肺部时，由于肺泡中二氧化碳的分压较低，血液中的碳酸氢盐又循着相反的途径转变为碳酸，并迅速分解为水及二氧化碳，于是二氧化碳就扩散到肺泡，被呼出体外。此外，少量的二氧化碳还可与血红蛋白的氨基结合成氨基甲酸血红蛋白，进行运输。
在肺换气不足时，如呼吸中枢机能低下，呼吸道梗阻或肺部疾患时，血中二氧化碳分压上升，随之碳酸浓度增高，并可超过血液缓冲体系及肾脏的调节能力，结果碳酸氢钠与碳酸的比值减小，血中酸度值（pH值）下降，形成呼吸性酸中毒。特点是：血中碳酸含量增加，碳酸氢钠也必然一定程度地增多，所以二氧化碳结合力并不下降，反而升高。
