Wymiana gazowa – proces, w czasie którego dochodzi do dyfuzji gazów i ich wymiany pomiędzy całym organizmem a jego otoczeniem (wymiana gazowa zewnętrzna) oraz pomiędzy płynami ustrojowymi a tkankami (wymiana gazowa wewnętrzna). Wymiana gazowa u organizmów fotosyntetyzujących jest związana z takimi procesami jak fotosynteza, oddychanie komórkowe i fotooddychanie, u organizmów heterotroficznych wymiana gazowa związana jest tylko z procesem oddychania komórkowego. W potocznym znaczeniu oddychanie jest błędnie zawężane do wymiany gazowej.
Wymiana gazowa u zwierząt Dyfuzja gazów odbywa się poprzez powierzchnię oddechową, którą jest powierzchnia całego układu oddechowego, a czasem nawet powierzchnia skóry (jak u płazów i u ryb). Powierzchnia oddechowa charakteryzuje się znacznym pofałdowaniem (np. skrzela, płuca) zapewniającym skuteczną wymianę gazów.
Wymiana gazowa na powierzchni listków skrzelowych u ryb może zachodzić: na zasadzie przeciwprądów na zasadzie prądów równoległych (np. skrzela ryb chrzęstnoszkieletowych).