El procés fonamental que té lloc als pulmons és l’intercanvi de gasos entre l’aire i la sang, o difusió alvèolo-capil·lar, que consisteix en el pas d’O2 de l’aire a la sang capil·lar, i de CO2 en sentit contrari. Aquest procés té lloc gràcies a un mecanisme de difusió passiva dels gasos, que tendeix a igualar llur concentració a ambdós costats de la membrana alvèolo-capil·lar.
L’intercanvi de gasos als pulmons es produeix de la mateixa manera que la difusió de gasos a través d’una membrana qualsevol. Experimentalment s’ha comprovat que en aquest procés influeixen una sèrie de factors que depenen de les característiques de la membrana i dels gasos que s’hi intercanvien. Així, la quantitat de gasos que passen a través de la membrana pot calcular-se matemàticament, mitjançant una equació denominada llei de Fick, segons la qual Vgas = A x (P1-P2) x D/T. Aquesta fórmula indica que el flux de gas (Vgas), és a dir, el volum de gas que es difon a través d’una membrana a cada unitat de temps és més elevat com més gran és la superfície de la membrana (A). També indica que el flux augmenta com més important és la diferència entre la pressió a què es troba el gas en cadascun dels costats de la membrana (P1-P2), i que depèn de les característiques químiques de cada gas (D). En canvi, el flux de gas es redueix com més important és el gruix de la membrana (T).
L’aplicació d’aquesta llei a la membrana alvèolo-capil·lar demostra que als pulmons es donen unes condicions molt favorables per a la difusió de gasos. El primer factor favorable és la gran extensió que representa en conjunt la membrana alvèolo-capil·lar de tots els alvèols pulmonars, la superfície total dels quals és d’entre 50 i 100 m2. També és positiu per a la difusió de gasos el petit gruix de la membrana alvèolo-capil·lar, que no supera les 0,5 micres. L’altre factor implicat en la difusió és la diferència de pressions: la pressió parcial de l’O2 en l’aire alveolar és de 100 mm Hg, alhora que a la sang de l’artèria pulmonar és de 40 mm Hg; aquesta diferència de pressions parcials d’O2 indueix la difusió de l’alvèol en la sang, de manera que la sang que surt per les venes pulmonars té una pressió parcial d’O2 d’uns 95 mm Hg. Gràcies a aquestes condicions favorables, la difusió d’O2 es produeix molt ràpidament: el temps de màxima proximitat entre la sang i l’aire alveolar és de tan sols 0,75 segons, però en condicions normals basten 0,25 segons perquè les concentracions d’O2 d’ambdós medis s’equilibrin. En definitiva, la capacitat de difusió d’O2 als pulmons, és a dir, la quantitat d’O2 que travessa la membrana alvèolo-capil·lar per unitat de temps i per diferència de pressió entre alvèol i sang és d’uns 20 ml/min/mm Hg. En situacions d’esforç, els capil·lars es dilaten i s’incrementa l’àrea activa dels pulmons, amb la qual cosa la xifra s’eleva a 65, o més encara.
Amb el C02 es produeix un procés de difusió en sentit invers. La pressió parcial de CO2 a la sang de l’artèria pulmonar és de 46 mm Hg i en l’aire alveolar és de 40 mm Hg. A conseqüència d’això, es produeix una difusió d’aquest gas de la sang a l’aire, i la sang que surt de les venes pulmonars té una pressió parcial de CO2 de 40 mm Hg. Per causa de les propietats físico-químiques del CO2, aquest gas es difon amb molta més facilitat que l’O2, i la seva transferència es produeix encara amb més rapidesa.