In de fysiologie is ademhaling de verplaatsing van zuurstof van het buitenmilieu naar de cellen binnen de weefsels, en de verwijdering van kooldioxide in omgekeerde richting.
De fysiologische definitie van ademhaling verschilt van de biochemische definitie, die verwijst naar een stofwisselingsproces waarbij een organisme energie verkrijgt (in de vorm van ATP en NADPH) door voedingsstoffen te oxideren en afvalstoffen af te geven. Hoewel fysiologische ademhaling noodzakelijk is om de cellulaire ademhaling en dus het leven in dieren in stand te houden, zijn de processen verschillend: cellulaire ademhaling vindt plaats in afzonderlijke cellen van het organisme, terwijl fysiologische ademhaling betrekking heeft op de diffusie en het transport van metabolieten tussen het organisme en de externe omgeving.
Gasuitwisseling in de longen vindt plaats door ventilatie en perfusie. Ventilatie verwijst naar de in en uit beweging van lucht van de longen en perfusie is de circulatie van bloed in de longcapillairen. Bij zoogdieren bestaat de fysiologische ademhaling uit ademhalingscycli van ingeademde en uitgeademde ademhalingen. Inademing (inademen) is gewoonlijk een actieve beweging die lucht in de longen brengt waar het proces van gasuitwisseling plaatsvindt tussen de lucht in de longblaasjes en het bloed in de longcapillairen. Samentrekking van de middenrifspier veroorzaakt een drukvariatie, die gelijk is aan de druk veroorzaakt door elastische, resistieve en inertiële componenten van het ademhalingssysteem. Daarentegen is de uitademing (uitademen) meestal een passief proces.
Het ademhalingsproces vult de longblaasjes niet met atmosferische lucht tijdens elke inademing (ongeveer 350 ml per inademing), maar de ingeademde lucht wordt zorgvuldig verdund en grondig vermengd met een groot volume gas (ongeveer 2,5 liter bij de volwassen mens), bekend als de functionele restcapaciteit, dat na elke uitademing in de longen achterblijft en waarvan de gasvormige samenstelling sterk verschilt van die van de omgevingslucht. De fysiologische ademhaling omvat de mechanismen die ervoor zorgen dat de samenstelling van de functionele restcapaciteit constant wordt gehouden, en in evenwicht is met de gassen die zijn opgelost in het longcapillaire bloed, en dus in het hele lichaam. In het exacte gebruik zijn de woorden ademhaling en ventilatie dus hyponiemen, geen synoniemen, van ademhaling; maar dit voorschrift wordt niet consequent gevolgd, zelfs niet door de meeste zorgverleners, omdat de term ademhalingsfrequentie (RR) een ingeburgerde term is in de gezondheidszorg, ook al zou deze consequent moeten worden vervangen door ademhalingsfrequentie als het exacte gebruik zou moeten worden gevolgd.