Hämoglobin als Vehikel für Sauerstoff trägt ungefähr das 65-fache des Sauerstoffvolumens, das sonst durch einfache Lösung in Plasma transportiert würde. Konformationsverschiebungen des Moleküls induzieren eine kooperative Sauerstoff-Hämoglobin-Affinität. Diese Eigenschaft spiegelt sich in der sigmoidalen Form der Sauerstoff-Hämoglobin-Dissoziationskurve wider. Die Affinität von Hämoglobin wird durch Temperatur, Wasserstoffionen, Kohlendioxid und intraerythrozytisches 2,3-DPG beeinflusst, wobei sich all diese Faktoren gegenseitig beeinflussen. Physiologische Bedingungen, die mit Verschiebungen der Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität verbunden sind, sind die Sauerstoffaufnahme in der Lunge, die Sauerstoffzufuhr in den Kapillaren und insbesondere die Sauerstoffzufuhr im Arbeitsmuskel, der diaplazentare Sauerstofftransfer und die Regulation der Erythropoese. Die Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität erreicht eine pathologische Bedeutung für die Sauerstoffversorgung während der respiratorischen oder metabolischen Alkalose, wenn die hämodynamischen und Gewebeantworten des Individuums begrenzt sind: Die erhöhte Affinität kann die kapillare Sauerstoffspannung kritisch senken. Methämoglobin und Kohlenmonoxid verschieben die Sauerstoffdissoziationskurve nach links, so dass eine Vergiftung mit beiden Substanzen sowohl die Gesamtsauerstoffkapazität als auch die Sauerstoffzufuhr des verbleibenden Hämoglobins verringert, das Sauerstoff binden kann. Diese Wirkung von Methämoglobin und Kohlenmonoxid muss auf der Intensivstation betrunkener Opfer berücksichtigt werden. Transfusionen großer Mengen gespeicherter roter Blutkörperchen, deren Hämoglobin eine hohe Affinität aufweist, können die kapillare Sauerstoffspannung verringern, insbesondere bei Patienten mit eingeschränkter Herzleistung. Die erniedrigte Sauerstoffaffinität von Patienten mit chronischer Nierenerkrankung und Anämie muss erhalten bleiben, indem eine Erhöhung des azidotischen Plasma-pH-Wertes vermieden wird. Beim Neugeborenen besitzt Hämoglobin physiologisch eine hohe Affinität zu Sauerstoff; Die hämodynamische Reserve des Neugeborenen ist begrenzt. Daher spielt der Hämoglobingehalt in den ersten Monaten des extrauterinen Lebens eine entscheidende Rolle für die Sauerstofftransportkapazität. Folglich muss die Erythrozytentransfusion bei der Neugeborenenchirurgie viel früher begonnen werden als bei Erwachsenen. Die roten Blutkörperchen müssen frisch oder bestenfalls „verjüngt“ sein. Normalerweise ist die Sauerstoffaffinität für die Sauerstoffversorgung nicht relevant, aber die Position der Sauerstoff-Hämoglobin-Dissoziationskurve kann in den oben beschriebenen Situationen ein kritischer Faktor sein, insbesondere wenn der Blutfluss zusätzlich eingeschränkt ist.