二氧化碳在血液中的存在形式主要有三种，分别是物理溶解、碳酸氢盐和氨基甲酸血红蛋白。
首先，物理溶解状态的二氧化碳。这部分二氧化碳直接溶于血浆中，约占总量的5%至7%，虽然比例不大，但对维持血液pH值具有重要作用。当血液流经肺部时，这部分二氧化碳会通过呼吸排出体外。
其次，碳酸氢盐形式存在的二氧化碳。这是血液中最主要的存在形式，大约占到了总二氧化碳量的88%左右。在红细胞内，二氧化碳与水结合，在碳酸酐酶的作用下生成碳酸，然后迅速分解成碳酸氢根离子和氢离子。由于碳酸氢根离子带负电荷，不能直接穿过红细胞膜，它会与氯离子交换进入血浆中，形成所谓的“氯转移”。这样不仅减少了红细胞内酸性物质的积累，同时也使得更多的二氧化碳能够以碳酸氢盐的形式被运输。
最后是氨基甲酸血红蛋白。当血液中的二氧化碳浓度较高时，部分二氧化碳可以与血红蛋白分子上的氨基结合生成氨基甲酸血红蛋白，约占总二氧化碳量的7%到8%左右。这种结合是非共价性的，且可逆，在肺部高氧环境下容易解离释放出CO2。
以上三种形式共同维持了体内二氧化碳的平衡状态，并通过呼吸系统调节其排出速率来保持内环境稳定。
