Hlavní funkcí nosních dutin je úprava vdechovaného vzduchu. Vzduch je zde zvlhčován, zahříván a pročištěn. Prohřívání vdechovaného vzduchu umožňuje hustá síť kapilár pod sliznicí. Zvlhčování vzduchu je způsobeno hlenem a dalšími sekrety na povrchu nosní sliznice. Nečistoty ve vzduchu jsou zachyceny ve vrstvě hlenu a pomocí řasinek transportovány směrem k hltanu, kde jsou spolknuty. Tyto funkce usnadňují nosní skořepy, které mnohonásobně zvětšují povrch sliznice. Ve sliznici dutiny nosní se nacházejí receptory, při jejichž podráždění dojde k prudkému výdechu vzduchu, který nazýváme kýchání. Kýchání řadíme mezi obranné reflexy dýchací soustavy. Funkcí vedlejších nosních dutin je kromě odlehčení kostí hlavy oteplování vzduchu a produkce hlenu.

V kaudální oblasti dutiny nosní je lokalizována čichová sliznice. Čich je pro zvířata velmi významným smyslem. V epitelu čichové sliznice se nacházejí buňky s vláskovými výběžky (modifikované dendrity), které zasahují do vrstvy hlenu na povrchu nosní sliznice. Zde dochází k rozpuštění pachových částic ve vrstvě hlenu. Pachové částice podráždí senzorické receptory, ze kterých putují nervové impulzy do čichového laloku mozku, kde jsou interpretovány jako specifický pach. Výběžky čichových buněk se dohromady označují jako první hlavový nerv (nervus olfactorius).

Hrtan je místem vzniku druhově specifických zvuků. Na vzniku zvuku mají hlavní podíl hlasivkové řasy, které jsou rozechvívány procházejícím vzduchem. Napětí hlasivkových řas je řízeno svaly, které se upínají na konvicovitou chrupavku. Snížením napětí vazů vznikají hlubší zvuky, zatímco při zvýšení napětí vznikají vysoko položené zvuky. Na vzniku různých zvuků se také podílejí zuby a jazyk. Další funkcí hrtanu je bránit průniku cizorodých částic do dýchacích cest. Při polykání vstup do hrtanu překryje příklopková chrupavka (epiglottis). Uzavření hrtanu při polykání napomáhají také svaly hltanu, které při polykání táhnou celý hltan dopředu, což umožňuje hrtanové příklopce překlopit vstup do hrtanu.

Hrtan kontroluje proud vzduchu do dalších částí dýchacích cest nejen pohybem epiglottis, ale také otevíráním nebo uzavíráním hlasivkové štěrbiny (rima glottis). K úplnému uzavření hlasivkové štěrbiny dochází při kašli. Při kašli dochází ke kontrakci dýchacích svalů při uzavřené hlasivkové štěrbině. Tím vznikne tlak za zavřenou hlasivkovou štěrbinou. Při jejím náhlém otevření dojde k silnému proudu vzduchu, který nazýváme kašel. Kašel patří mezi obranné reflexy dýchací soustavy a slouží k odstranění hlenu a jiných nečistot z dýchacích cest. K uzavření hlasivkové štěrbiny dochází také v průběhu činností, které vyžadují zapojení břišního lisu, jako je močení, defekace nebo porod. Kontrakcí dýchacích svalů vznikne v hrudní dutině tlak. Tím je hrudník stabilizován a může dojít ke kontrakci břišních svalů a kompresi orgánů v dutině břišní. Bez uzavření glottis by kontrakce břišních svalů vyvolala pouze vytlačení vzduchu z plic.

Průdušnici vystýlá respirační sliznice s řasinkami a hlenovými buňkami. Prach a nečistoty, které pronikly až do průdušnice, jsou zachycovány ve vrstvě hlenu a pohybem řasinek transportovány směrem k hltanu, kde jsou spolknuty. Pokud se v průdušnici nahromadí větší množství hlenu, dojde k podráždění epitelových buněk a spuštění kašlacího reflexu.

Hladká svalovina ve stěně průdušek a průdušinek je inervována autonomním nervovým systémem. V průběhu intenzivní fyzické aktivity dojde k relaxaci hladké svaloviny, což umožní rozšíření lumen průdušek a průdušinek. Toto rozšíření, které se nazývá bronchodilatace, umožňuje zvýšený přísun vzduchu do alveol. Trvalá bronchodilatace by vyžadovala zvýšené úsilí pro dýchací svaly, proto je v klidovém stavu je hladká svalovina průdušek a průdušinek částečně kontrahována (parciální bronchokonstrikce). K úplné kontrakci hladké svaloviny průdušek a průdušinek dochází za patologických stavů, například při astmatu nebo při vdechování dráždivých látek.

Dýchání neboli plicní ventilace je vyvolána koordinovanou aktivitou svalů, která způsobí střídající se zvětšování nebo zmenšování objemu hrudní dutiny. V pleurální štěrbině je oproti atmosférickému tlaku vzduchu negativní tlak. Zvýšení objemu pleurální štěrbiny způsobí ještě větší pokles tlaku, jehož důsledkem je nasávání vzduchu do plic neboli nádech. Naopak, pokud dojde ke snížení objemu pleurální dutiny, zvýšení tlaku způsobí vytlačení vzduchu z plic a dochází k výdechu.

Na dýchání se podílejí tři hlavní skupiny dýchacích svalů:

Bránice je sval kopulovitého tvaru, který odděluje dutinu hrudní od dutiny břišní. Je inervována bráničným nervem (nervus phrenicus), který vystupuje z krční míchy. Při kontrakci bránice dochází k jejímu oploštění, což způsobí zvětšení objemu dutiny hrudní.

Vnější mezižeberní svaly se nacházejí v interkostálních prostorech. Jsou inervovány mezižeberními nervy (nervi intercostales). Při kontrakci vnějších mezižeberních svalů jsou žebra posouvána směrem nahoru a vně, čímž dochází ke zvětšení objemu dutiny hrudní.

Vnitřní mezižeberní svaly vyplňují mezižeberní prostory, nacházejí se hlouběji pod vnějšími mezižeberními svaly. Podílejí se spolu s břišními svaly na hlubokém výdechu.

U zvířat se popisují dva typy dýchání: břišní (abdominální) – typické pro přežvýkavce a žeberní (kostální), které převažuje u koně a u psa. Při abdominálním dýchání převažuje aktivita bránice, při kostálním dýchání převažuje aktivita vnějších mezižeberních svalů.

Základním principem výměny plynů je prostá difuze molekul plynů z míst s vyšší koncentrací do míst s nižší koncentrací. Vdechovaný vzduch obsahuje velké množství kyslíku (cca 21 %), ale malé množsví oxidu uhličitého (0,03%). V kapilárách obklopujících plicní sklípky je naopak velké množství oxidu uhličitého, ale malé množství kyslíku. Kyslík proudí přes epitel alveolů a endotel kapilár z vdechovaného vzduchu do kapilární krve, oxid uhličitý proudí z kapilární krve do plicních sklípků, odkud je vydechován. Ve vydechovaném vzduchu je přibližně 16 % kyslíku a 4,5 % oxidu uhličitého. Koncentrační gradient (tj. změna v koncentracích plynů) je udržován neustálým průtokem krve a respiračním cyklem.

Centrum pro dýchání je uloženo v mostu a prodloužené míše. V těle se nacházejí receptory, které ovlivňují hloubku dechu a dechovou frekvenci. Ve stěně průdušek jsou uloženy napěťové receptory, které monitorují napětí v dýchacích cestách. Při nádechu a roztažení dýchacích cest vysílají impulz do respiračního centra v mozku, které vyšle signál k výdechu. Tento mechanismus brání nadměrnému naplnění plic. Ve stěnách velkých artérií (v aortě a karotidě) se nacházejí chemoreceptory, které monitorují množství kyslíku v krvi. Při snížení parciálního tlaku kyslíku v krvi (rozpuštěného kyslíku v krevní plasmě) dojde k podráždění chemoreceptorů, které vyšlou podnět do respiračního centra v mozku a tím dojde ke zvýšení dechové frekvence a prohloubení dechu. V prodloužené míše se nacházejí chemoreceptory, které monitorují pH mozkomíšního moku. PH krve (i mozkomíšního moku) závisí na množství oxidu uhličitého. Oxid uhličitý reaguje s vodou za vniku hydrogenuhličitanového aniontu a vodíkových iontů.

CO₂ + H₂0 → H⁺ + HCO₃^-

Při zvýšení množství oxidu uhličitého v krvi klesá pH krve. Tento pokles podráždí chemoreceptory v prodloužené míše, ze kterých je vyslán impulz do respiračního centra, což vyvolá zvýšení dechové frekvence a prohloubení dechu. Nadbytek oxidu uhličitého je takto vydýchán a pH krve se vrací na fyziologickou úroveň.

Objem vzduchu, který zvíře vdechne a vydechne při klidovém dýchání, se nazývá dechový objem. Po klidném nádechu je možné vdechnout další množství vzduchu, které se nazývá inspirační rezervní objem. Naopak po klidném výdechu lze ještě vydechnout další množství vzduchu, které se nazývá expirační rezervní objem. I po maximálním možném výdechu zůstane v plicích určité množství vzduchu, které se nazývá reziduální objem. Tento vzduch chrání dýchací cesty před zkolabováním.

Celkový objem vzduchu, který lze vydechnout po maximálním možném nádechu, se nazývá vitální kapacita plic. Vitální kapacita plic je součtem dechového objemu, inspiračního rezervního objemu a expiračního rezervního objemu. Množství vzduchu, které zůstává v plicích po normálním výdechu, se nazývá funkční reziduální kapacita plic. Funkční reziduální kapacita plic je tvořena součtem expiračního rezervního objemu a reziduálního objemu. Tento vzduch umožňuje výměnu plynů během výdechu. Celková kapacita plic je součet dechového objemu, inspiračního rezervního objemu, expiračního rezervního objemu a reziduálního objemu.

Dechová frekvence je významný klinický údaj. Měří se počet dechů za časovou jednotku, obvykle 1 min. Fyziologické hodnoty dechové frekvence u různých živočišných druhů jsou uvedeny v tabulce 4. Klidné dýchání se nazývá eupnoe. Zrychlené dýchání se nazývá tachypnoe, zpomalené dýchání se nazývá bradypnoe. Přechodná zástava dechu se nazývá apnoe. Ztížené dýchání se nazývá dyspnoe.