與氧結合
血紅素與氧結合的過程是一個非常神奇的過程。首先一個氧分子與血紅素四個亞基中的一個結合，與氧結合之後的珠蛋白結構發生變化，造成整個血紅素結構的變化，這種變化使得第二個氧分子相比於第一個氧分子更容易尋找血紅素的另一個亞基結合，而它的結合會進一步促進第三個氧分子的結合，以此類推直到構成血紅素的四個亞基分別與四個氧分子結合。而在組織內釋放氧的過程也是這樣，一個氧分子的離去會刺激另一個的離去，直到完全釋放所有的氧分子，這種有趣的現象稱為協同效應。
血紅素分子結構由於協同效應，血紅素與氧氣的結合曲線呈S形，在特定範圍內隨著環境中氧含量的變化，血紅素與氧分子的結合率有一個劇烈變化的過程，生物體內組織中的氧濃度和肺組織中的氧濃度恰好位於這一突變的兩側，因而在肺組織，血紅素可以充分地與氧結合，在體內其他部分則可以充分地釋放所攜帶的氧分子。可是當環境中的氧氣含量很高或者很低的時候，血紅素的氧結合曲線非常平緩，氧氣濃度巨大的波動也很難使血紅素與氧氣的結合率發生顯著變化，因此健康人即使呼吸純氧，血液運載氧的能力也不會有顯著的提高，從這個角度講，對健康人而言吸氧的所產生心理暗示要遠遠大於其生理作用。當血液內紅細胞破壞過多，肝臟負荷增加肝細胞內運送、結合和排洩障礙,或肝外膽道阻塞，都可引起血內膽紅素濃度增高而出現黃疸。
其他功能
除了運載氧，血紅素還可以與二氧化碳、一氧化碳、氰離子結合，結合的方式也與氧完全一樣，所不同的只是結合的牢固程度，一氧化碳、氰離子一旦和血紅素結合就很難離開，這就是煤氣中毒和氰化物中毒的原理，遇到這種情況可以使用其他與這些物質結合能力更強的物質來解毒，比如一氧化碳中毒可以用靜脈注射亞甲基藍的方法來救治。
