Cacbon đioxit là sản phẩm cuối cùng trong cơ thể sinh vật có sự tích lũy năng lượng từ việc phân hủy đường hay chất béo với oxy như là một phần của sự trao đổi chất của chúng, trong một quá trình được biết đến như là sự hô hấp của tế bào. Nó bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật, nhiều loại nấm và một số vi khuẩn. Trong các động vật bậc cao, cacbon đioxit di chuyển trong máu từ các mô của cơ thể tới phổi và ở đây nó bị thải ra ngoài.

Hàm lượng cacbon đioxit trong không khí trong lành là khoảng 0,04%, và trong không khí bị thải ra từ sự thở là khoảng 4,5%. Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích), nó là độc hại đối với con người và các động vật khác.

Hemoglobin, phân tử chuyên chở oxy chính trong hồng cầu, có thể chở cả oxy và cacbon đioxit, mặc dù theo các cách thức hoàn toàn khác nhau. Sự suy giảm liên kết với ôxy trong máu do sự tăng mức cacbon đioxit được biết đến như là hiệu ứng Haldane, và nó là quan trọng trong việc vận chuyển cacbon điôxít từ các mô tới phổi. Ngược lại, sự tăng áp suất thành phần của CO2 hay pH thấp hơn sẽ sinh ra sự rút bớt ôxy từ hemoglobin. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Bohr.

Theo nghiên cứu của USDA , sự thở của một người trung bình mỗi ngày sinh ra khoảng 450 lít (khoảng 900 gam) cacbon đioxit.

CO2 được vận chuyển trong máu theo ba cách khác nhau. Phần lớn trong chúng (khoảng 80%–90%) được các enzym cacbonic anhydraz chuyển hóa thành các ion bicacbonat HCO3− trong các tế bào hồng cầu. 5%–10% được hòa tan trong huyết tương và 5%–10% liên kết với hemoglobin thành các hợp chất cacbamin. Phần trăm chính xác phụ thuộc vào đó là máu ở động mạch hay tĩnh mạch.

Hemoglobin liên kết với CO2 không giống như liên kết với oxy; CO2 liên kết với các nhóm chứa N trên 4 chuỗi globin. Tuy nhiên, do các hiệu ứng khác khu vực hoạt hóa trên phân tử hemoglobin, liên kết của CO2 làm giảm lượng oxy được liên kết đối với áp suất thành phần nhất định của oxy.

Cacbon đioxit có thể là một trong các chất trung gian để tự điều chỉnh việc cung cấp máu theo khu vực. Nếu nồng độ của nó cao thì các mao mạch nở ra để cho nhiều máu hơn đến các mô.

Các ion bicacbonat là chủ yếu trong việc điều chỉnh pH của máu. Do tần suất thở có ảnh hưởng tới mức CO2 trong máu, nên nhịp thở quá chậm hay quá nông sẽ sinh ra hiện tượng nhiễm axít hô hấp,trong khi nhịp thở quá nhanh sinh ra trong các chứng thở quá nhanh sẽ dẫn đến nhiễm kiềm hô hấp.

Một điều thú vị là mặc dù oxy là chất cần thiết của quá trình trao đổi chất của cơ thể, nhưng không phải nồng độ thấp của oxy kích thích sự hô hấp mà lại là nồng độ cao của cacbon đioxit. Kết quả là, sự hô hấp trong không khí loãng (áp suất thấp) hay hỗn hợp khí không có ôxy (ví dụ nitơ nguyên chất) dẫn đến sự bất tỉnh mà không cần có các vấn đề về hệ hô hấp của cá thể đó. Nó là đặc biệt nguy hiểm cho các phi công lái máy bay chiến đấu bay ở cao độ lớn, và nó cũng là lý do giải thích tại sao các hướng dẫn tại các máy bay thương mại trong trường hợp sụt áp suất trong khoang thì người ta cần phải sử dụng mặt nạ thở ôxy cho chính mình trước khi giúp người khác—nếu không thì chính người đó sẽ chịu rủi ro bất tỉnh mà không hề được cảnh báo trước về nguy hiểm sắp xảy ra.

Thực vật hấp thụ cacbon đioxit từ khí quyển trong quá trình quang hợp. Cacbon đioxit được thực vật (với năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời) sử dụng để sản xuất ra các chất hữu cơ bằng tổ hợp nó với nước. Các phản ứng này giải phóng ra ôxy tự do. Đôi khi cacbon đioxit được bơm thêm vào các nhà kính để thúc đẩy thực vật phát triển. Thực vật cũng giải phóng ra CO2 trong quá trình hô hấp của nó, nhưng tổng thể thì chúng làm giảm lượng CO2.

Các giới hạn của OSHA cho nồng độ cacbon đioxit tại nơi làm việc là 0,5% cho thời gian dài, tối đa tới 3% cho phơi nhiễm ngắn (tối đa 10 phút). OSHA cho rằng các nồng độ trên 4% là "nguy hiểm ngay lập tức đối với sức khỏe và sự sống". Những người thở không khí chứa trên 5% cacbon điôxít trên 30 phút có các triệu chứng tăng anhydrit cacbonic máu cấp tính, trong khi việc thở với nồng độ cacbon đioxit từ 7%–10% có thể làm bất tỉnh trong vài phút. Cacbon đioxit, dù là dạng khí hay dạng rắn, chỉ được tiếp xúc trong các môi trường/khu vực thông gió tốt.

Xem thêm: Khí trong máu động mạch.