Bohr trouxe enormes contribuições a respeito do funcionamento do sistema respiratório humano.   Em 1890, ele descreveu em detalhes as trocas gasosas através da membrana alvéolo-capilar, enfatizando o fato de que existe muito mais gás oxigênio no sangue capilar que no ar alveolar e, apesar disso, o gás oxigênio continua a se mover do alvéolo para o capilar pulmonar. Errou ao afirmar que o oxigênio era concentrado e secretado no sangue pelas células alveolares. O próprio Bohr criou, em 1891, uma extraordinária equação que permite o cálculo do espaço-morto funcional, a partir do teor de gás carbônico no ar expirado e no sangue arterial. Em 1904, também descreveu a curva de dissociação da oxi-hemoglobina; junto com Hasselbach, mostrou que o formato da curva depende da tensão de gás carbônico no meio, descrevendo o efeito que leva o seu nome (efeito Bohr).