El oxígeno y el dióxido de carbono se disuelven en el agua, y la mayoría de los peces intercambian oxígeno disuelto y dióxido de carbono en el agua por medio de las branquias. Las branquias se encuentran detrás y a un lado de la cavidad bucal y consisten en filamentos carnosos apoyados por los arcos branquiales y llenos de vasos sanguíneos, que dan a las branquias un color rojo brillante. El agua absorbida continuamente a través de la boca pasa hacia atrás entre las barras branquiales y sobre los filamentos branquiales, donde tiene lugar el intercambio de gases., Las branquias están protegidas por una cubierta branquial en teleósts y muchos otros peces, pero por aletas de piel en tiburones, rayas y algunos de los grupos de peces fósiles más antiguos. Los capilares sanguíneos en los filamentos branquiales están cerca de la superficie branquial para absorber el oxígeno del agua y entregar el exceso de dióxido de carbono al agua.

La mayoría de los peces modernos tienen un órgano hidrostático (lastre), llamado vejiga natatoria, que se encuentra en la cavidad corporal justo debajo del riñón y por encima del estómago y el intestino. Se originó como un divertículo del canal digestivo., En teleosts avanzados, especialmente los Acantopterigios, la vejiga ha perdido su conexión con el tracto digestivo, una condición llamada fisoclista. La conexión ha sido retenida (physostomous) por muchos teleosts relativamente primitivos. En varias líneas no relacionadas de peces, la vejiga se ha especializado como un pulmón o, al menos, como un órgano respiratorio accesorio altamente vascularizado. Algunos peces con tales órganos accesorios son respiradores de aire obligados y se ahogarán si se les niega el acceso a la superficie, incluso en agua bien oxigenada., Los peces con una forma hidrostática de vejiga natatoria pueden controlar su profundidad regulando la cantidad de gas en la vejiga. El gas, principalmente oxígeno, es secretado en la vejiga por glándulas especiales, lo que hace que los peces sean más flotantes; el gas es absorbido en el torrente sanguíneo por otro órgano especial, reduciendo la flotabilidad general y permitiendo que los peces se hundan. Algunos peces de aguas profundas pueden tener aceites, en lugar de gas, en la vejiga. Otras formas que viven en aguas profundas y en el fondo tienen vejigas de natación muy reducidas o han perdido el órgano por completo.,

la vejiga natatoria de los peces sigue el mismo patrón de desarrollo que los pulmones de los vertebrados terrestres. No hay duda de que las dos estructuras tienen el mismo origen histórico en los peces primitivos. Las formas más o menos intermedias aún sobreviven entre los tipos de peces más primitivos, como los peces lungfish Lepidosiren y Protopterus.