In der Physiologie ist die Atmung die Bewegung von Sauerstoff von der äußeren Umgebung zu den Zellen innerhalb der Gewebe und die Entfernung von Kohlendioxid in der entgegengesetzten Richtung.
Die physiologische Definition der Atmung unterscheidet sich von der biochemischen Definition, die sich auf einen metabolischen Prozess bezieht, durch den ein Organismus Energie (in Form von ATP und NADPH) durch die Oxidation von Nährstoffen und die Freisetzung von Abfallprodukten erhält. Obwohl die physiologische Atmung notwendig ist, um die Zellatmung und damit das Leben in Tieren aufrechtzuerhalten, sind die Prozesse unterschiedlich: Die Zellatmung findet in einzelnen Zellen des Organismus statt, während die physiologische Atmung die Diffusion und den Transport von Metaboliten zwischen dem Organismus und der äußeren Umgebung betrifft.
Der Gasaustausch in der Lunge erfolgt durch Ventilation und Perfusion. Unter Ventilation versteht man die Ein- und Ausströmung von Luft aus der Lunge und unter Perfusion die Zirkulation von Blut in den Lungenkapillaren. Bei Säugetieren umfasst die physiologische Atmung Atemzyklen von ein- und ausgeatmeten Atemzügen. Die Einatmung (Einatmen) ist normalerweise eine aktive Bewegung, die Luft in die Lunge bringt, wo der Prozess des Gasaustausches zwischen der Luft in den Alveolen und dem Blut in den Lungenkapillaren stattfindet. Die Kontraktion des Zwerchfellmuskels verursacht eine Druckänderung, die den durch elastische, resistive und träge Komponenten des Atmungssystems verursachten Drücken entspricht. Im Gegensatz dazu ist die Ausatmung (Ausatmung) in der Regel ein passiver Vorgang.
Beim Atmungsvorgang werden die Alveolen nicht bei jeder Einatmung mit atmosphärischer Luft gefüllt (ca. 350 ml pro Atemzug), sondern die eingeatmete Luft wird sorgfältig verdünnt und gründlich mit einem großen Gasvolumen (ca. 2,5 Liter beim erwachsenen Menschen) vermischt, das als funktionelle Restkapazität bezeichnet wird und nach jeder Ausatmung in der Lunge verbleibt und dessen Gaszusammensetzung sich deutlich von der der Umgebungsluft unterscheidet. Die physiologische Atmung beinhaltet die Mechanismen, die dafür sorgen, dass die Zusammensetzung der funktionellen Restkapazität konstant gehalten wird und mit den im Lungenkapillarblut und damit im gesamten Körper gelösten Gasen im Gleichgewicht steht. Im exakten Sprachgebrauch sind also die Worte Atmung und Beatmung Hyponyme, nicht Synonyme, der Atmung; aber diese Vorschrift wird nicht konsequent befolgt, auch nicht von den meisten Leistungserbringern im Gesundheitswesen, weil der Begriff Atemfrequenz (RR) ein etablierter Begriff im Gesundheitswesen ist, obwohl er konsequent durch Beatmungsrate ersetzt werden müsste, wenn man dem exakten Sprachgebrauch folgen würde.