Cada branquia contiene filamentos con capilares y muchas laminillas que ofrecen una superficie enorme. Una barrera muy fina separa el agua de la sangre: el disuelto difunde hacia esta porque su concentración efectiva es menor allí, mientras el dióxido de carbono cruza en sentido contrario. En muchos peces, sangre y agua circulan en direcciones opuestas; ese intercambio a contracorriente mantiene el gradiente a lo largo de toda la lámina. Movimientos de la boca y los opérculos bombean agua, o el nado la fuerza a pasar. Las branquias extraen oxígeno ya disuelto: no separan químicamente el oxígeno unido al hidrógeno de la molécula de agua.