Tous les êtres vivants ont besoin d'oxygène. L'oxygène se trouve dans l'atmosphère et dans l'eau. Les créatures aquatiques doivent filtrer l'oxygène hors de l'eau, puis jeter l'eau pour qu'elles ne se noient pas. Une pieuvre respire de la même manière que tous les poissons respirent, c'est-à-dire par les branchies. Les branchies de poulpe sont situées à l'intérieur de la cavité du manteau et sortent à l'extérieur du corps. Les besoins en oxygène des poulpes sont supérieurs à ceux requis par les autres mollusques et poissons. Les pieuvres ont trois cœurs, dont deux pompent le sang à travers les deux branchies, où l'échange d'oxygène a lieu.
La bouche d'une pieuvre

La bouche en forme de bec d'une pieuvre est située sur la cavité du manteau à l'arrière de la tête bulbeuse de la pieuvre, entouré par les huit pattes. La bouche est l'entrée de la cavité du manteau qui contient des branchies. La pieuvre utilise ces branchies pour respirer. L'eau est introduite dans la bouche du poulpe et est ensuite passée à travers les branchies dans le plan d'eau. Alors que l'eau est poussée sur la surface des branchies, l'oxygène est capté par le sang dans les capillaires des branchies.
Les branchies d'une pieuvre

Les branchies sont constituées de nombreux filaments plumeux. Ces filaments permettent une plus grande surface à travers laquelle passe l'eau oxygénée. Cette grande surface permet à la pieuvre de capter plus d'oxygène par respiration.
L'échange d'oxygène

L'oxygène est capté dans les capillaires par le processus d'un échange à contre-courant. L'oxygène sera capté dans les capillaires tant que le niveau d'oxygène est plus faible dans le sang que dans l'eau. Lors d'un échange à contre-courant, le niveau d'oxygène sera toujours plus faible dans le sang que dans l'eau, ce qui permet un échange continu d'oxygène entre l'eau et le sang. Cela signifie que le sang se déplace dans une direction opposée dans les branchies que la direction dans laquelle l'eau se déplace. Cela permet un échange d'oxygène maximum par respiration. En raison du système musculaire de la pieuvre qui contracte la cavité du manteau, forçant l'eau oxygénée à travers les filaments des branchies, la pieuvre est capable d'atteindre le niveau de saturation en oxygène de 11 pour cent dont elle a besoin dans son sang. La plupart des poissons et des mollusques atteignent en moyenne une saturation en oxygène de 3%.
Les coeurs d'une pieuvre

Deux des trois cœurs d'une pieuvre pompent le sang à travers les branchies. Le sang oxygéné qui quitte les branchies retourne au troisième cœur pour être pompé dans le reste du corps. L'oxygène est transporté dans la protéine hémocyanine au lieu des globules rouges que l'on trouve couramment chez les mammifères. L'hémocyanine est dissoute dans le plasma sanguin, ce qui donne au sang une couleur bleue.