Alle levende wezens hebben zuurstof nodig. Zuurstof wordt gevonden in de atmosfeer en in water. Waterwezens moeten de zuurstof uit het water filteren en vervolgens het water weggooien zodat ze niet verdrinken. Een octopus ademt op dezelfde manier als alle vissen ademen, namelijk door kieuwen. De octopus-kieuwen bevinden zich in de mantelholte en gaan naar de buitenkant van het lichaam. De zuurstofbehoefte van octopus is groter dan die van andere weekdieren en vissen. Octopussen hebben drie harten, waarvan er twee bloed over de twee kieuwen pompen, waar zuurstofuitwisseling plaatsvindt.
De mond van een octopus

De bekachtige mond van een octopus bevindt zich op de mantelholte bij de achterkant van de bolvormige kop van de octopus, omringd door de acht poten. De mond is de ingang naar de mantelholte met kieuwen erin. De octopus gebruikt deze kieuwen om te ademen. Water wordt in de octopusmond gebracht en wordt vervolgens door de kieuwen terug in het waterlichaam geleid. Terwijl het water over het oppervlak van de kieuwen wordt geduwd, wordt zuurstof opgenomen door het bloed in de capillairen van de kieuwen.
De kieuwen van een octopus

De kieuwen bestaan uit vele gevederde filamenten. Deze filamenten zorgen voor een groter oppervlak waar het zuurstofrijke water overheen gaat. Door dit grote oppervlak kan de octopus meer zuurstof per ademhaling opnemen.
De zuurstofuitwisseling

De zuurstof wordt opgenomen in de capillairen door middel van een tegenstroomuitwisseling. Zuurstof wordt opgenomen in de haarvaten zolang het zuurstofniveau in het bloed lager is dan in het water. Wanneer tegenstroomuitwisseling wordt gebruikt, zal het zuurstofniveau altijd lager zijn in het bloed dan in het water, waardoor een continue uitwisseling van zuurstof tussen het water en het bloed mogelijk is. Dit betekent dat bloed zich in een tegengestelde richting in de kieuwen verplaatst dan de richting waarin het water zich verplaatst. Dit zorgt voor maximale zuurstofuitwisseling per ademhaling. Vanwege het spierstelsel van de octopus dat de mantelholte samentrekt en zuurstofrijk water over de gloeidraden van de kieuwen dwingt, is de octopus in staat om het zuurstofverzadigingsniveau van 11 procent in zijn bloed te bereiken dat het nodig heeft. De meeste vissen en weekdieren bereiken gemiddeld 3 procent zuurstofverzadiging.
De harten van een octopus

Twee van de drie harten van een octopus pompen bloed door de kieuwen. Het zuurstofrijke bloed dat de kieuwen verlaat, keert terug naar het derde hart en wordt teruggepompt door de rest van het lichaam. De zuurstof wordt vervoerd in het eiwit hemocyanine in plaats van de rode bloedcellen die gewoonlijk bij zoogdieren worden aangetroffen. Hemocyanine wordt opgelost in het bloed van het bloed, waardoor het bloed een blauwe kleur krijgt