Per respirare sott'acqua, i pesci devono estrarre l'ossigeno disciolto dall'acqua. Lo fanno usando le loro branchie. L'acqua entra nella bocca del pesce e poi il pesce forza l'acqua attraverso le sue branchie, oltre molti piccoli vasi sanguigni e fuori dalle fessure branchiali. Le branchie prendono l'ossigeno dall'acqua e lasciano che l'acqua porti via l'anidride carbonica e l'ammoniaca dai vasi sanguigni nelle branchie. I filamenti branchiali sono la parte rossa e carnosa delle branchie; portano ossigeno nel sangue. Ogni filamento ha migliaia di sottili rami (lamelle) che sono esposti all'acqua. I rami contengono capillari sanguigni sotto un sottile epitelio che separa il sangue dall'acqua, permettendo all'ossigeno e all'anidride carbonica di passare facilmente.
Tuttavia, non tutti i pesci si affidano completamente alle branchie per respirare. Alcune specie di pesci assorbono gran parte dell'ossigeno necessario attraverso la pelle, in particolare quando sono giovani. Altri hanno polmoni o altre camere d'aria accessorie che si sono sviluppate per respirare l'aria dalla superficie dell'acqua e queste specie di pesci possono annegare se non hanno accesso alla superficie dell'acqua.
I filamenti branchiali nei pesci hanno funzioni come i polmoni nelle persone:è l'organo responsabile dell'assorbimento dell'ossigeno e dell'espulsione dell'anidride carbonica. Le branchie regolano anche i livelli di ioni minerali e il pH del sangue, oltre ad essere il sito principale di escrezione dei rifiuti azotati, sotto forma di ammoniaca.
I filamenti branchiali dei pesci ossei sono anche chiamati "lamelle primarie". Sono strutture intricate che hanno un'ampia superficie. Le "lamelle secondarie" più piccole sono propaggini dei filamenti primari. Le lamelle secondarie contengono piccoli capillari sanguigni e il sangue scorre nella direzione opposta all'acqua. Di conseguenza, l'acqua che scorre accanto alle lamelle secondarie ha sempre una concentrazione di ossigeno maggiore di quella nel sangue, quindi l'ossigeno viene assorbito lungo l'intera lunghezza delle lamelle secondarie. Anche in questo modo l'anidride carbonica viene diffusa passivamente dal sangue nell'acqua.
I pesci che nuotano attivamente hanno filamenti branchiali altamente sviluppati per massimizzare l'assorbimento di ossigeno. I pesci sedentari che vivono sul fondo di solito hanno filamenti branchiali che assorbono volumi minori, poiché sono meno attivi e non utilizzano l'ossigeno così rapidamente.
La maggior parte dei pesci ha tre o più archi branchiali su ciascun lato del corpo. Questi supportano i filamenti branchiali e sono cartilaginei o ossei e hanno la forma di un boomerang. Ogni arco branchiale è costituito da un arto superiore e uno inferiore che si uniscono nella parte posteriore. I filamenti branchiali e i rastrelli branchiali sono attaccati agli archi branchiali.
Gli archi branchiali offrono supporto per le branchie così come i vasi sanguigni. Le arterie che entrano nelle branchie portano sangue con basso ossigeno e un'alta concentrazione di rifiuti. Le arterie che escono dalle branchie contengono sangue con poche scorie ricche di ossigeno.
I rastrelli delle branchie sono proiezioni ossee che aiutano il pesce a nutrirsi. Puntano in avanti e verso l'interno dagli archi branchiali. Il loro numero e la loro forma variano in base alla dieta del pesce:su pesci che mangiano grandi prede, come altri pesci, sono evidenti rastrelli branchiali ampiamente distanziati, che impediscono alla preda di liberarsi e scappare tra le branchie. Un numero maggiore di rastrelli branchiali più sottili e più lunghi si vede sui pesci che mangiano prede più piccole. Specie che consumano plancton e minuscola materia sospesa negli sport acquatici che sono estremamente lunghi e sottili. Alcuni pesci ne hanno più di 150 solo sull'arcata inferiore. Questi aiutano a raccogliere particelle di cibo nella gola che possono essere ingerite, mentre l'acqua viene espulsa attraverso le fessure branchiali.
