Ossigeno e anidride carbonica si dissolvono in acqua, e la maggior parte dei pesci scambiano ossigeno disciolto e anidride carbonica in acqua per mezzo delle branchie. Le branchie si trovano dietro e al lato della cavità orale e sono costituite da filamenti carnosi sostenuti dagli archi branchiali e riempiti di vasi sanguigni, che conferiscono alle branchie un colore rosso vivo. L’acqua presa continuamente attraverso la bocca passa all’indietro tra le barre branchiali e sopra i filamenti branchiali, dove avviene lo scambio di gas., Le branchie sono protette da una copertura branchiale in teleostei e molti altri pesci, ma da lembi di pelle in squali, razze, e alcuni dei gruppi di pesci fossili più anziani. I capillari sanguigni nei filamenti branchiali sono vicini alla superficie branchiale di prendere ossigeno dall’acqua e di rinunciare anidride carbonica in eccesso per l’acqua.
La maggior parte dei pesci moderni ha un organo idrostatico (zavorra), chiamato vescica natatoria, che si trova nella cavità del corpo appena sotto il rene e sopra lo stomaco e l’intestino. Ha avuto origine come diverticolo del canale digestivo., Nei teleostei avanzati, specialmente negli acantopterigi, la vescica ha perso la sua connessione con il tratto digestivo, una condizione chiamata physoclistic. La connessione è stata mantenuta (physostomous) da molti teleostei relativamente primitivi. In diverse linee non correlate di pesci, la vescica si è specializzata come polmone o, almeno, come organo respiratorio accessorio altamente vascolarizzato. Alcuni pesci con tali organi accessori sono obbligati a respirare aria e annegheranno se negato l’accesso alla superficie, anche in acqua ben ossigenata., I pesci con una forma idrostatica di vescica natatoria possono controllare la loro profondità regolando la quantità di gas nella vescica. Il gas, principalmente ossigeno, viene secreto nella vescica da ghiandole speciali, rendendo il pesce più galleggiabile; il gas viene assorbito nel flusso sanguigno da un altro organo speciale, riducendo la galleggiabilità complessiva e permettendo al pesce di affondare. Alcuni pesci di acque profonde possono avere oli, piuttosto che gas, nella vescica. Altre acque profonde e alcune forme di vita di fondo hanno vesciche di nuotata molto ridotte o hanno perso completamente l’organo.,
La vescica natatoria dei pesci segue lo stesso schema di sviluppo dei polmoni dei vertebrati terrestri. Non c’è dubbio che le due strutture abbiano la stessa origine storica nei pesci primitivi. Forme più o meno intermedie sopravvivono ancora tra i tipi più primitivi di pesci, come i lungfishes Lepidosiren e Protopterus.