Кровеносная система рыб проводит кровь от сердца через жабры и ткани тела. В отличие от сердца других хребетных, сердце рыб не приспособлено для отделения (даже частичного) обогащенной кислородом крови от необогащенной. Структурно сердце рыб являет собой последовательную серию из четырех камер, заполненных деоксигенованой (венозной) кровью: венозный синус, предсердие, желудочек и артериальный конус. Камеры сердца разделены клапанами, которые позволяют крови при сокращении стенок сердца двигаться только в прямом направлении (от венозного синуса к артериальному конусу) , но не наоборот.
Основным органом газообмена рыб являются жабры, которые расположены по сторонам ротовой полости. У костистых рыб они закрыты жаберной крышкой, у других классов – свободно открываются наружу. Во время вентиляции жабров вода попадает в ротовую полость через рот, а затем проходит между жаберными дугами и выходит наружу из-под жаберных крышек. Анатомически жабры состоят из полупроницаемых мембран и кровеносных сосудов, которые расположены на костных жаберных дугах. Специфической структурой, приспособленной для газообмена, являются жаберные лепестки, где под тонким эпителием находятся сильно разветвленные капилляры.
В добавление к жабрам рыбы могут использовать и много других систем газообмена. На стадии личинки заметная часть газообмена осуществляется через кожу; несколько видов рыб имеют «легкие» , где сохраняется увлажненный воздух (амия) ; некоторые виды могут дышать воздухом непосредственно (гурами) .