Peștii respiră prin branhii, organe situate pe părțile laterale ale capului. Apa intră prin gură, trece peste lamelele branhiale, bogate în vase de sânge, unde oxigenul dizolvat în apă este absorbit, iar dioxidul de carbon este eliminat.
Acest proces, numit respirație branhială, necesită o concentrație suficientă de oxigen în apă. Diverși factori pot afecta această concentrație, precum eutrofizarea, un exces de nutrienți (adesea cauzat de scurgeri agricole sau deversări industriale) care duce la proliferarea algelor.
Descompunerea acestor alge consumă oxigen, creând zone cu deficit de oxigen. Seceta și temperaturile ridicate reduc și ele concentrația de oxigen din apă, crescând riscul de sufocare pentru pești, mai ales în ape puțin adânci sau stagnante.
Peștii se pot sufoca din cauza lipsei de oxigen, dar nu se pot îneca în sensul clasic al termenului. Multe specii, precum majoritatea rechinilor, trebuie să înoate constant pentru a menține circulația apei la branhii.
Alți pești, cum ar fi rechinii doici și razele, pot pompa apa prin gură și branhii. Deteriorarea branhiilor, cauzată de contactul cu echipamentul de pescuit, prădători sau boli, poate de asemenea împiedica respirația. În afara apei, branhiile peștilor se pot lipi între ele, ducând la sufocare.
Anumite specii, precum arapaima sud-americană, pot supraviețui în afara apei pentru perioade scurte datorită unei vezici natatoare adaptate. Peștele pulmonar are plămâni primitivi, adaptați din vezica natatoare, și poate respira aer, supraviețuind în perioadele de secetă.
Mamiferele și reptilele marine, precum balenele și țestoasele, respiră aer la suprafață. Adaptările fiziologice le permit să rămână sub apă pentru perioade lungi de timp.
Acestea includ o concentrație mare de mioglobină în mușchi pentru stocarea oxigenului, un număr mare de globule roșii, bradicardie (reducerea ritmului cardiac) în timpul scufundărilor și reducerea fluxului sanguin către organe neesențiale.
Unele animale, precum cașalotii, au plămâni compresibili pentru a rezista presiunii la adâncimi mari. Țestoasele marine și crocodilii își pot reduce metabolismul pentru a conserva oxigenul. Recordul de scufundare este deținut de balena cu cioc a lui Cuvier, cu o durată de trei ore și 42 de minute.
