Trao đổi khí là quá trình sinh học mà theo đó các khí di chuyển thụ động bởi sự khuếch tán qua bề mặt. Thông thường, bề mặt này là - hoặc chứa - một màng sinh học tạo thành ranh giới giữa một sinh vật và môi trường ngoại bào của nó.Các khí liên tục được tiêu thụ và sản sinh ra bởi các phản ứng tế bào và chuyển hóa ở hầu hết sinh vật, vì vậy cần có một hệ thống trao đổi khí hiệu quả giữa các tế bào và môi trường bên ngoài. Các sinh vật nhỏ, đặc biệt là động vật đơn bào, chẳng hạn như vi khuẩn và động vật nguyên sinh, có tỷ lệ diện tích bề mặtso với thể tích cao. Ở những sinh vật này, màng trao đổi khí thường là màng tế bào. Một số sinh vật đa bào nhỏ, như giun dẹp, cũng có thể thực hiện trao đổi khí đầy đủ qua da hoặc lớp biểu bì bao quanh cơ thể của chúng. Tuy nhiên, ở hầu hết các sinh vật lớn hơn, có tỷ lệ diện tích bề mặt nhỏ và khối lượng nhỏ, các cấu trúc đặc biệt có bề mặt phức tạp như mang, phế thải phổi và mesophyll xốp cung cấp diện tích lớn cần thiết cho việc trao đổi khí hiệu quả. Những bề mặt phức tạp này đôi khi có thể được xâm nhập vào cơ thể của sinh vật. Đây là trường hợp các phế nang tạo thành bề mặt bên trong của phổi động vật có vú, mesophyll xốp, được tìm thấy bên trong lá của một số loại thực vật, hoặc mang của những con nhuyễn thể có chúng, được tìm thấy trong lớp vỏ của chúng.Trong sinh vật hiếu khí, trao đổi khí là đặc biệt quan trọng đối với hô hấp, bao gồm sự hấp thu oxy (O2) và giải phóng CO2 (CO2). Ngược lại, trong các cơ quan quang hợp oxy như hầu hết các cây trồng trên đất, việc hấp thụ carbon dioxide và giải phóng cả oxy và hơi nước là các quá trình trao đổi khí chính xảy ra trong ngày. Các quá trình trao đổi khí khác rất quan trọng trong các sinh vật ít quen thuộc hơn: cacbon dioxit, khí mê-tan và hydrogen được trao đổi qua màng tế bào của vi khuẩn cổ sinh vật. Trong việc cố định đạm bởi các vi khuẩn diazotrophic, và khử Nitơ bởi các vi khuẩn dị dưỡng (như Paracoccus denitrificans và các pseudomonads khác nhau),[1] khí nitơ được trao đổi với môi trường, được lấy đi bởi sinh vậ trước và được giải phóng bởi sinh vật sau, trong khi Giant tube worms, Riftia pachyptila, dựa vào vi khuẩn để oxy hóa hydrogen sulfide chiết xuất từ môi trường nước biển sâu của chúng,[2] sử dụng oxy hòa tan trong nước như là một chất nhận điện tử.