Bei der Kiemenatmung findet ein Austausch der Gase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid zwischen dem Blut und dem im Wasser gelösten Sauerstoff in den Kiemen statt. Sauerstoffreiches Wasser fließt ein und das im Blut vorhandene Kohlenstoffdioxid wird ans Wasser abgegeben. Das durch die Kiemen fließende Blut zirkuliert dabei in einem geschlossenen Kreislaufsystem.
Da das einfließende Wasser bedeutend sauerstoffreicher ist als der Sauerstoff im Blut, wird durch den Druckunterschied eine Diffusion von Sauerstoff aus dem Wasser ins Blut bewirkt.