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In jeder Zelle laufen hunderte von chemischen Reaktionen ab, die in ihrer Gesamtheit als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet werden. Um zu leben, benötigen alle Zellen ständig organische und anorganische Stoffe sowie chemische Energie. Zuständig für die Energiegewinnung der Zellen sind die Mitochondrien. Unter Mitwirkung von bestimmten Enzymen und Coenzymen gewinnen die Mitochondrien insbesondere aus Glucose (Traubenzucker) und Fettsäuren Energie für alle in der Zelle ablaufenden Vorgänge.Die Stoffwechselleistungen einer Zelle hängen deshalb entscheidend von ihrer Enzymausstattung ab, welche bereits genetisch festgelegt ist. Nach der Art, welche Ausgangsstoffe für die Energiegewinnung verwertet werden, unterscheidet man autotrophe und heterotrophe Organismen. Die Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert, so dass der Zelle stets ausreichend Energie zur Verfügung steht.Der wichtigste Weg zur ATP-Bildung ist die oxidative Phosphorylierung innerhalb der Atmungskette unter aeroben Bedingungen (Sauerstoffanwesenheit). Viele Organismen können unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) auf ATP zurückgreifen, das in der Glykolyse entsteht. Diese Art der ATP-Bildung bezeichnet man als Gärung.

11-mal atmet der Mensch in der Minute ein und wieder aus. Das heißt, 11-mal hebt und senkt sich der Brustkorb, füllen und leeren sich die Lungen mit dem Atem. Jedes Mal nimmt der Atem den gleichen Weg durch die Nasenhöhle, durch den Rachen bis zum Kehlkopf und gelangt von dort über die Luftröhre bis zu den Bronchien. Von hier geht es in die Lungen und über die dort befindlichen Lungenbläschen erfolgt dann der Gasaustausch, d.h. Sauerstoff wird aufgenommen und Kohlenstoffdioxid wird abgegeben. Dabei sind die Lungen die eigentlichen Atmungsorgane. Nasenhöhle, Kehlkopf, Luftröhre und Bronchien werden als Atemwege bezeichnet. Atemwege und Atmungsorgane sind dabei mit einer Schleimhaut ausgekleidet, die wichtige Schutzfunktionen bei der Atmung übernimmt.

Über die äußere Atmung werden das Blut und über die Zellatmung (innere Atmung) die Zellen kontinuierlich mit Sauerstoff versorgt. Dieser stammt entweder aus der Luft (21 %) oder aus dem Wasser. Der Bereich, an dem Sauerstoff aus der Umgebung in den Organismus diffundiert und Kohlenstoffdioxid diese verlässt, wird als respiratorische Oberfläche bezeichnet. Die Regulation der Atmung erfolgt über das Atemkontrollzentrum.

Die Atmung und damit die Sauerstoffversorgung der Lungen atmenden Organismen ist normalerweise dem umgebenden Luftdruck angepasst. Die meisten Menschen leben bei einem Luftdruck von 101 kPa und einem Sauerstoffpartialdruck von 21,3 kPa. Dieser garantiert eine kontinuierliche Versorgung der Zellen mit Sauerstoff über die Atmung. In Höhen ab 5000 m, die man beispielsweise beim Bergsteigen erreicht, beträgt der Luftdruck aber weniger als 30 kPa und der Sauerstoffpartialdruck nur 6 kPa. Sauerstoff wird nur noch sehr langsam ins Blut aufgenommen, die Folge ist eine Unterversorgung des Körpers mit dem lebensnotwendigen Gas.
Beim Tauchen kann ein Druck von 400 kPa (entsprechend 30 m Tauchtiefe) auf dem Taucher lasten. Es löst sich mehr Gas im Blut, welches beim schnellen Auftauchen zur Taucherkrankheit führen kann.