Tốc độ và độ sâu của nhịp thở được kiểm soát tự động bởi các trung tâm hô hấp nhận thông tin từ các cơ quan thụ cảm hóa học ngoại vi và trung ương. Các cơ quan thụ cảm hóa học này liên tục theo dõi áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch. Trước hết, các cảm biến là cơ quan thụ cảm hóa học trung tâm trên bề mặt của ống tủy sống của thân não, đặc biệt nhạy cảm với độ pH cũng như áp suất riêng phần của carbon dioxide trong máu và dịch não tủy.[8] Nhóm cảm biến thứ hai đo áp suất riêng phần của oxy trong máu động mạch. Cùng nhau, chất thứ hai được gọi là thụ thể hóa học ngoại vi nằm trong cơ thể động mạch chủ và động mạch cảnh.[8] Thông tin từ tất cả các cơ quan thụ cảm hóa học này được truyền tải đến các trung tâm hô hấp ở pons và tủy sống, phản ứng với sự sai lệch áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch so với bình thường bằng cách điều chỉnh tốc độ và độ sâu của nhịp thở, sao cho cách để khôi phục áp suất riêng phần của carbon dioxide trở lại 5,3   kPa (40   mm   Hg), độ pH đến 7,4 và ở mức độ thấp hơn, áp suất riêng phần của oxy đến 13   kPa (100   mm   Hg).[8] Ví dụ, tập thể dục làm tăng sản xuất carbon dioxide bởi các cơ đang hoạt động. Carbon dioxide này khuếch tán vào máu tĩnh mạch và cuối cùng làm tăng áp suất riêng phần của carbon dioxide trong máu động mạch. Điều này được cảm nhận ngay lập tức bởi các cơ quan nhận cảm carbon dioxide trên thân não. Các trung tâm hô hấp phản ứng với thông tin này bằng cách làm cho tốc độ và độ sâu của nhịp thở tăng lên đến mức áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch gần như ngay lập tức trở lại mức như lúc nghỉ ngơi. Các trung tâm hô hấp liên lạc với các cơ thở thông qua các dây thần kinh vận động, trong đó dây thần kinh phrenic, bên trong cơ hoành, có lẽ là quan trọng nhất.[8]

Thở tự động có thể được ghi đè ở một mức độ hạn chế bằng cách lựa chọn đơn giản, hoặc để hỗ trợ bơi lội, nói, hát hoặc luyện giọng khác. Không thể kìm nén muốn thở đến mức thiếu oxy nhưng luyện tập có thể tăng khả năng nín thở.

Các phản xạ kiểm soát hơi thở tự động khác cũng tồn tại. Việc ngâm mình, đặc biệt là mặt, trong nước lạnh, kích hoạt phản ứng gọi là phản xạ lặn.[11][12] Điều này đầu tiên là kết quả của việc tắt các đường thở chống lại dòng nước. Tốc độ trao đổi chất chậm lại ngay. Điều này cùng với sự co mạch dữ dội của các động mạch đến các chi và nội tạng vùng bụng. Điều này dự trữ oxy có trong máu và phổi khi bắt đầu lặn gần như chỉ dành cho tim và não.[11] Phản xạ lặn là một phản ứng thường được sử dụng ở những động vật thường xuyên phải lặn, chẳng hạn như chim cánh cụt, hải cẩu và cá voi.[13][14] Nó cũng hiệu quả hơn ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ hơn là ở người lớn.[15]