Het hemoglobinemolecuul bindt zich aan zuurstofmoleculen in zijn heemgroepen, met name aan de ijzerionen in de heem. Elk hemoglobinemolecuul heeft vier heemgroepen, en elke heemgroep kan één zuurstofmolecuul binden, wat betekent dat één hemoglobinemolecuul maximaal vier zuurstofmoleculen kan vervoeren. Dit maakt transport van zuurstof uit de longen mogelijk, waar het op hemoglobine in het bloed wordt geladen, naar lichaamsweefsels, waar het wordt gelost via diffusie van zuurstof uit de haarvaten naar de interstitiële vloeistof en vervolgens naar de cellen.