У таких мелких водных животных, как туфелька или гидра, газообмен представляет собой весьма несложный процесс: растворенный кислород диффундирует из окружающей воды в клетки, а углекислота диффундирует наружу, и ни в какой особой дыхательной системе нет надобности.

Такое дыхание называют прямым, так как клетки организма непосредственно обмениваются кислородом и углекислотой с окружающей средой. 

С появлением более высоко организованных, сложных форм прямой газообмен между каждой клеткой животного и окружающей средой сделался невозможным.

Необходим-был какой-то вид непрямого дыхания с участием специализированных для этой функции структур тела.

Специализированный орган должен иметь тонкую стенку (мембрана этой стенки должна быть полупроницаемой), чтобы не препятствовать диффузии; он должен всегда иметь влажную поверхность, чтобы кислород и углекислота могли быть растворены в воде; наконец, он должен хорошо снабжаться кровью.

У рыб, крабов, раков и многих других животных для непрямого дыхания выработались жабры; у высших позвоночных — рептилий, птиц и млекопитающих — выработались легкие; дождевой червь использует для дыхания свою влажную кожу; насекомые обладают трахеями — трубочками, пронизывающими все тело и сообщающимися с внешней средой через поры .

При непрямом дыхании газообмен между клетками тела и средой включает две фазы — внешнюю и внутреннюю.

Внешнее дыхание состоит в обмене газами путем диффузии между внешней средой и кровью при помощи специализированного органа дыхания, например легкого у млекопитающих.

Внутреннее дыхание заключается в газообмене между кровью и клетками тела . Перенос газов между этими двумя фазами дыхания осуществляет система кровообращения.