L’oxygène et le dioxyde de carbone se dissolvent dans l’eau, et la plupart des poissons échangent l’oxygène dissous et le dioxyde de carbone dans l’eau au moyen des branchies. Les branchies se trouvent derrière et sur le côté de la cavité buccale et se composent de filaments charnus soutenus par les arcs branchiaux et remplis de vaisseaux sanguins, qui donnent aux branchies une couleur rouge vif. L’eau prélevée en continu par la bouche passe en arrière entre les barres branchiales et sur les filaments branchiaux, où l’échange de gaz a lieu., Les branchies sont protégées par une couverture branchiale chez les téléostéens et de nombreux autres poissons, mais par des lambeaux de peau chez les requins, les raies et certains des plus anciens groupes de poissons fossiles. Le sang des capillaires dans les filaments branchiaux sont proches de la surface des branchies pour prendre de l’oxygène de l’eau et l’excès de dioxyde de carbone à l’eau.
la plupart des poissons modernes ont un organe hydrostatique (ballast), appelé vessie natatoire, qui se trouve dans la cavité corporelle juste en dessous du rein et au-dessus de l’estomac et de l’intestin. Il est originaire comme un diverticule du canal digestif., Chez les téléostéens avancés, en particulier les acanthoptérygiens, la vessie a perdu sa connexion avec le tube digestif, une condition appelée physoclistique. La connexion a été conservée (physostomique) par de nombreux téléostéens relativement primitifs. Chez plusieurs lignées de poissons non apparentées, la vessie s’est spécialisée en tant que poumon ou, du moins, en tant qu’organe respiratoire accessoire hautement vascularisé. Certains poissons avec de tels organes accessoires sont des respirateurs d’air obligatoires et se noieront s’ils n’ont pas accès à la surface, même dans une eau bien oxygénée., Les poissons avec une forme hydrostatique de vessie natatoire peuvent contrôler leur profondeur en régulant la quantité de gaz dans la vessie. Le gaz, principalement de l’oxygène, est sécrété dans la vessie par des glandes spéciales, rendant le poisson plus flottant; le gaz est absorbé dans la circulation sanguine par un autre organe spécial, réduisant la flottabilité globale et permettant au poisson de couler. Certains poissons d’eau profonde peuvent avoir des huiles, plutôt que du gaz, dans la vessie. D’autres formes d’eau profonde et certaines formes de vie de fond ont des vessies de nage très réduites ou ont complètement perdu l’organe.,
la vessie natatoire des poissons suit le même schéma de développement que les poumons des vertébrés terrestres. Il ne fait aucun doute que les deux structures ont la même origine historique chez les poissons primitifs. Des formes plus ou moins intermédiaires survivent encore parmi les types de poissons les plus primitifs, tels que les poissons Lungfish Lepidosiren et Protopterus.