Hlavní rozpustný protein červených krvinek sloužící k přenosu kyslíku. Hemoglobin je tetramer složený ze dvou podjednotek a a dvou b . Obě podjednotky jsou si velmi podobné. Každá podjednotka obsahuje hem uložený v hydrofobní kapse. Hemoglobin je strukturně velmi podobný monomernímu myoglobinu. Vazba kyslíku, na rozdíl od myoglobinu, je kooperativní (sigmoidní závislost nasycení na tlaku kyslíku). Faktory ovlivňující vazbu kyslíku na hemoglobin jsou:
       a) pH: nižší pH, stejně jako CO₂ snižuje afinitu ke kyslíku (Bohrův efekt). Tím se umožní okysličení anaerobní tkáně.
       b) glycerol-2,3-bisfosfát: posouvá saturační křivku hemoglobinu k vyššímu pO₂.
       H+, CO₂ a glycerolbisfosfát snižují vazbu kyslíku k hemoglobinu tím, že stabilizují konformaci deoxygenovanému hemoglobinu.