紅細胞的主要功能分子是血紅蛋白，占紅細胞的90%。血紅蛋白是一種含有血紅素的蛋白質分子，它可以在肺部或鰓部與氧氣分子結合，然后在身體的組織中將結合的氧氣分子釋放。氧氣分子可以很容易地以擴散方式通過紅細胞的細胞膜。血紅蛋白也可以運送有機體使用氧氣后產生的二氧化碳（不到氧氣總量的2%，更多的二氧化碳由血漿來運輸）。另一種相關的蛋白質分子肌紅蛋白，可以在肌肉細胞中存儲氧氣。此外，血紅蛋白與一氧化碳的結合活性要遠高于氧氣，因此當空氣中存在一定量的一氧化碳時，血紅蛋白失去攜氧能力，導致一氧化碳中毒，嚴重時可致死。
紅細胞的顏色是來自于血紅蛋白中所含的血紅素。血漿本身是無色的，而紅細胞則可以根據血紅素狀態的不同而呈現不同的顏色：結合氧氣分子時，處于氧化態的血紅素分子顯鮮紅色；而當氧氣分子被釋放后，處于脫氧化態的血紅素顯暗紅色，而且會使血管壁看起來帶有藍色（這時的血管俗稱“青筋”）。脈動式氧合測量器（Pulse oximetry）正是利用了這一顏色變化的原理，采用比色法實現對動脈中血氧飽和度的測定。
紅細胞這種攜氧細胞（即將攜氧蛋白質包含在細胞中而不是直接包含于體液中）的出現，是脊椎動物進化過程中的重要一步，它使得血液在低黏度情況下仍具有高攜氧性。
在哺乳動物中，成熟的紅細胞是無細胞核的（常常誤認為駱駝和羊駝的成熟紅細胞是有細胞核的，但實際上，駱駝紅細胞并沒有細胞核，只是形狀不同），這意味著它們不含有儲存于細胞核中的DNA。相比較而言，包括鳥類在內的其他幾乎所有的脊椎動物的紅細胞都是有核的（除了兩棲動物有尾目中的蠑螈）。哺乳動物的紅細胞也沒有線粒體，它們通過糖酵解產生能量。而且紅細胞表面也沒有胰島素受體，因此其糖攝入不能被胰島素所調控。由于缺少細胞核和細胞器，因此紅細胞不能生產結構蛋白、修復蛋白或酶，使得其只有有限的壽命。
哺乳動物的紅細胞為扁平狀，且兩面中心都向內凹陷。這種形狀可以最大限度的從周圍攝取氧氣。同時它還具有柔韌性，這使得它可以通過毛細血管，并釋放氧分子。哺乳動物的紅細胞基本為圓形，只有在駱駝中為橢圓形。
在大血管中，有時紅細胞可以以扁平的側面互相堆積在一起，形成錢串狀。當特定血清蛋白含量提高時（如炎癥反應時），這一堆積情況發生的幾率會增大。
脾臟是紅細胞的儲存器官。在一些哺乳動物，如馬和狗中，脾臟積存了大量的紅細胞，在必要時可以釋放到血液中，以提供更大的攜氧量。但在人類中，其作用有限。