红细胞的主要功能分子是血红蛋白，占红细胞的90%。血红蛋白是一种含有血红素的蛋白质分子，它可以在肺部或鳃部与氧气分子结合，然后在身体的组织中将结合的氧气分子释放。氧气分子可以很容易地以扩散方式通过红细胞的细胞膜。血红蛋白也可以运送有机体使用氧气后产生的二氧化碳（不到氧气总量的2%，更多的二氧化碳由血浆来运输）。另一种相关的蛋白质分子肌红蛋白，可以在肌肉细胞中存储氧气。此外，血红蛋白与一氧化碳的结合活性要远高于氧气，因此当空气中存在一定量的一氧化碳时，血红蛋白失去携氧能力，导致一氧化碳中毒，严重时可致死 <ref>[https://www.cndzys.com/shenghuoyangsheng/changshi/1780185.html 红细胞的主要功能是什么？]，大众养生网，2019-01-07</ref> 。

在[[哺乳动物]]中，成熟的红细胞（除[[骆驼]]和[[羊驼]]之外），是无[[细胞核]]的 <ref>[http://www.sohu.com/a/308946530_772926 哺乳动物红细胞为何没有细胞核] ，搜狐网，2019-04-19</ref> ，这意味着它们不含有储存于细胞核中的[[DNA]]。相比较而言，包括[[鸟类]]在内的其他几乎所有的脊椎动物的红细胞都是有核的（除了[[两栖动物]][[有尾目]]中的[[蝾螈]]）。哺乳动物的红细胞也没有[[线粒体]]，它们通过[[糖酵解]]产生能量。而且红细胞表面也没有[[胰岛素受体]]，因此其糖摄入不能被[[胰岛素]]所调控。由于缺少细胞核和[[细胞器]]，因此红细胞不能生产结构蛋白、修复蛋白或[[酶]]，使得其只有有限的寿命。