कार्बन "डाई" आक्साइड हीमोग्लोबिन पर एक भिन्न बंधन स्थल पर स्थित होती है. कार्बन डाई आक्साइड आक्सीजनहीन रक्त में आसानी से घुल जाती है, जिससे चयापचय करते ऊतकों में आक्सीजन के पहुंचने के बाद कार्बन डाई आक्साइड को सरलता से शरीर के बाहर निकाला जा सकता है. शिराओं के रक्त का कार्बन डाई आक्साइड के प्रति यह आकर्षण हाल्डेन प्रभाव कहलाता है. एंजाइम कार्बानिक एनहाइड्रेज के जरिये कार्बन डाई आक्साइड पानी से प्रतिक्रिया करके कार्बानिक एसिड देती है, जो बाईकार्बोनेट और प्रोटानों में विघटित हो जाता है -

इस तरह उच्च कार्बन डाई आक्साइड वाला रक्त कम पीएच वाला (अधिक अम्लीय) होता है. हीमोग्लोबिन प्रोटानों और कार्बन डाई आक्साइड को बंधित कर सकता है, जिससे प्रोटीन में परिवर्तन हो जाता है और आक्सीजन मुक्त होती है. प्रोटान प्रोटीन पर कई स्थानों पर बंधित होते हैं, जबकि कार्बन डाई आक्साइड α-अमाइनो समूह पर बंधित होती है. कार्बन डाई आक्साइड हीमोग्लोबिन से बंधित होकर कार्बमिनोहीमोग्लोबिन बनाती है. कार्बन डाई आक्साइड और एसिड के बंधन द्वारा हीमोग्लोबिन के आक्सीजन के प्रति आकर्षण में कमी (ओटू-संतृप्तता वक्र "दांयी" ओर चला जाता है) को बोह्र प्रभाव कहते हैं. इसके विपरीत, जब रक्त में कार्बन डाई आक्साइड के स्तर कम हो जाते हैं (अर्थात् फेफड़ों की केशिकाओं में), तो हीमोग्लोबिन से कार्बन डाई आक्साइड और प्रोटान मुक्त हो जाते हैं, जिससे प्रोटीन का आक्सीजन के प्रति आकर्षण बढ़ जाता है. 

बंधित की हुई आक्सीजन को हीमोग्लोबिन द्वारा मुक्त किया जाना आवश्यक होता है, वरना उसके बंधित होने का कोई मतलब ही नहीं है. हीमोग्लोबिन का सिग्मायडल वक्र उसे बंधन (फेफड़ों में O लेना) और मुक्तन (उतकों में O को मुक्त करना) के लिये सक्षम बना देता है.

उंचे स्थानों के मौसम के प्रति अनुकूलित लोगों में, रक्त में 2,3-बाईफास्फोग्लिसरेट (2,3-बीपीजी) की सांद्रता बढ़ जाती है, जिससे ये लोग कम आक्सीजन के तनाव की स्थिति में ऊतकों को आक्सीजन की अधिक मात्रा दे सकते हैं. इस प्रक्रिया को, जिसमें अणु Y अणु X के परिवहन अणु Z से बंधन को प्रभावित करता है, "हीटरोट्रापिक" एलोस्टीयरिक प्रभाव कहते हैं.

एक भिन्न हीमोग्लोबिन, जिसे फीटल हीमोग्लोबिन (एचबीएफ, αγ) कहते हैं, विकसित हो रहे शिशु में पाया जाता है और आक्सीजन को वयस्क हीमोग्लोबिन की अपेक्षा अधिक आकर्षण से बांधता है. इसका मतलब है कि वयस्क हीमोग्लोबिन की तुलना में फीटल हीमोग्लोबिन का आक्सीजन बंधक वक्र बाईं ओर झुका होता है. (आक्सीजन हीमोग्लोबिन के अधिकांश प्रतिशत से कम आक्सीजन तनाव पर बंधित होती है). फलतः अपरा का शिशु रक्त माता के रक्त से आक्सीजन ले सकता है. 

हीमोग्लोबिन अणु के ग्लोबिन भाग में नाइट्रिक आक्साइड का भी वहन करता है. इससे परिधि के भाग में आक्सीजन के पहुंचने में मदद मिलती है और श्वसनक्रिया नियंत्रित होती है. एनओ ग्लोबिन में एक विशिष्ट सिस्टीन अवशेष से आवर्ती रूप से बंधी होती है. यह बंधन हीमोग्लोबिन की स्थिति (आर या टी) पर निर्भर होता है. इससे प्राप्त एस-नाइट्रोसिलेटेड हीमोग्लोबिन विभिन्न एनओ-संबंधित क्रियाओं जैसे, नलिका अवरोध, रक्तचाप और श्वसनक्रिया को प्रभावित करता है. एनओ लाल रक्त कमों के साइटोप्लाज्म में मुक्त नहीं होता लेकिन एई1 नामक एक एनायन विनिमयक द्वारा उनमें सें बाहर परिवहित किया जाता है.

रक्त (मानव व पशुओं के) में सांस में भीतर लिये गए अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) के विभाजन पर हीमोग्लोबिन के प्रकार के प्रभाव को देखने के लिये एक अध्ययन किया गया. इस शोध में जांच के लिये नमूने वीओसी के रूप में बेंजीन का प्रयोग किया गया, क्यौंकि इसके गुण अन्य कई वीओसियों से मिलते हैं. यह अध्ययन वीओसी के विभाजन कोशैंट (पीसी) पर एचबी की जल विलयनता के प्रभाव की तुलना हीमोग्लोबिन की अन्य जातियों या प्रकारों के प्रभाव से की गई है. प्रयोग में लाए गए विभिन्न रक्तों में शामिल हैं – मानव हीमोग्लोबिन (एचबीए, चूहे का एचबी और सिकल सैल हीमोग्लोबिन (एचबीएस). चूहे के एचबी में जल बहुत कम होता है और यह अर्ध-स्फटिक रूप में लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी) में होता है, यानी यह जल में घुलनशील मानव रक्त की तुलना में अधिक हाइड्रोफोबिक होता है. सिकल सैल हीमोग्लोबिन (एचजीएस) जल में घुलनशील होता है, लेकिन यह विआक्सीजनित होने पर जल में अघुलनशील होकर हाइड्रोफोबिक पालिमरों में बदल सकता है. निष्कर्षों के अनुसार चूहे के एचबी का बेंजीन पीसी मानव के एचबी के बेंजीन पीसी से काफी अधिक होता है, लेकिन एचबीए और एचबीएस के आक्सीजनित और विआक्सीजनित प्रकारों के पीसीओं के मापन की परीक्षाओँ में कोई भिन्नता नहीं पाई गई, जिससे यह संकेत मिलता है कि बेंजीन का आकर्षण एचबी की जल में घुलनशीलता से प्रभावित नहीं होता है.

आक्सीजन का बंधन करने वाले अन्य प्रोटीन
नोनेर्य्थ्रोइद कोशिकाओं में उपस्थिति
ऐलोस्टीयरिक
रोगों में भूमिका