血液中的O2主要以氧合Hb（HbO2）形式運輸。O2與Hb的結合有以下一些重要特征：
1．反應快、可逆、不需酶的催化、受PO2的影響。當血液流經PO2高的肺部時,Hb與 O2結合,形成HbO2；當血液流經PO2低的組織時,HbO2迅速解離,釋放O2,成為去氧Hb：
2．Fe2+與O2結合后仍是二價鐵,所以該反應是氧合（oxygenation）,不是氧化（oxidation）。
3．1分子Hb可以結合4分子O2。Hb分子量是64000-67000道爾頓（d）,所以1gHb可以結合1.34-1.39mlO2,視Hb純度而異。100ml血液中,Hb所能結合的最大O2量稱為Hb的氧容量。此值受Hb濃度的影響；而實際結合的O2量稱為Hb的氧含量,其值可受PO2的影響。Hb氧含量和氧容量的百分比為Hb氧飽和度。例如,Hb濃度在15g/100ml血液時,Hb的氧容量=15×1.34=Hb 20.1ml/100ml血液,如Hb的氧含量是20.1ml,則Hb氧飽和度是100%。如果Hb氧含量實際是15ml,則Hb氧飽和度=15/20×100%=75%。通常情況下,溶解的O2極少,故可忽略不計,因此,Hb氧容量,Hb氧含量和Hb氧飽和度可分別視為血氧容量（oxygen capacity）、血氧含量（oxygen content）和血氧飽和度（oxygen saturatino）。HbO2呈鮮紅色,去氧Hb呈紫藍色,當體表表淺毛細血管床血液中去氧Hb 含量達5g/100ml血液以上時,皮膚、粘膜呈淺藍色,稱為紫紺。
4．Hb與O2的結合或解離曲線呈S形,與Hb的變構效應有關。當前認為Hb有兩種構型：去氧Hb為緊密型（tense form,T型）,氧合Hb為疏松型（relaxed form,R型）。當O2與Hb的Fe2+結合后,鹽鍵逐步斷裂,Hb 分子逐步由T型變為R型,對O2的親和力逐步增加,R型的O2親和力為T型的數百倍。也就是說,Hb 的4個亞單位無論在結合O2或釋放O2時,彼此間有協同效應,即1個亞單位與O2結合后,由于變構效應的結果,其它亞單位更易與O2結合；反之,當HbO2的1個亞單位釋出O2后,其它亞單位更易釋放O2。因此,Hb氧離曲線呈S形。