La maggior parte dei pesci compie gli scambi gassosi attraverso branchie localizzate ai lati della faringe. I pesci cartilaginei possiedono da 4 a 7 aperture branchiali SENZA opercolo, mentre i pesci ossei sono dotati di una sola apertura per lato coperta da un opercolo. Le branchie sono costituite da strutture filamentose, con moltissimi vasi sanguigni. Quando il pesce assume acqua ricca di ossigeno attraverso la bocca la fa passare attraverso le branchie a livello delle quali avviene l'assunzione dell'ossigeno e l'eliminazione dell'anidride carbonica. Nelle branchie la circolazione del sangue va in controcorrente rispetto a quella dell'acqua. Questo sistema consente ai pesci di assorbire una grande quantità di ossigeno disciolto.
Alcuni pesci sono in grado di respirare l'aria mediante altri organi. La pelle delle anguille, come quella degli anfibi, è in grado di assorbire l'ossigeno; alcuni pesci gatto sono capaci di assorbire l'aria mediante il loro tratto digestivo. I Dipnoi possiedono una coppia di polmoni simili a quelli dei tetrapodi e devono raggiungere la superficie dell'acqua per ingoiare aria attraverso la bocca ed eliminare l'aria respirata attraverso le branchie. Altri pesci gatto respirano facendo passare l'aria attraverso l'intestino.
La capacità di respirare aria è tipica di quei pesci che vivono in acque basse e a variabilità stagionale, dove la concentrazione dell'ossigeno può abbassarsi in certi periodi dell'anno. Quando questo avviene, i pesci che si affidano solo alla respirazione dell'ossigeno presente nell'acqua moriranno velocemente per asfissia, mentre quelli capaci di respirare aria possono sopravvivere per più tempo, in alcuni casi anche all'interno del fango. Alcuni pesci, come i dipnoi africani, devono obbligatoriamente respirare aria periodicamente per sopravvivere e sono chiamati respiratori d'aria obbligati; altri respirano l'aria solo quando ne hanno realmente bisogno e sono detti respiratori d'aria facoltativi.