단백질의 일종으로서 혈색소라고 부른다. 이것은 적혈구 내용물중 가장 많은 것으로 산소와 이산화탄소의 운반 및 산염기 평형에 중요한 역할을 맡고 있다. 일반 동물의 혈액은 혈색소를 갖고 있기 때문에 적색으로 보이며 연체동물, 절족동물 및 갯지렁이는 헤모시아닌과 크로로크루오린이라는 호흡색소를 가지고 있기 때문에 혈액이 녹색이나 청색으로 보인다. 헤모글로빈의 분자량은 68,000인 단백질이며, 산소를 이동, 운반시킬 수 있는 heme 분자와 globin(α, β형)으로 구분되는데, 이 globin을 구성하고 있는 아미노산의 배열에 따라 혈색소를 여러 형으로 나눈다. 정상인의 혈색소는 A형 혈색소라고 하며 141개의 아미노산으로 구성된 α-chain과 146개의 아미노산으로 구성된 β-chain이 있다. 이밖에 S형, C형, E형, G형, F형, M형 등의 혈색소가 있다. 특히, 혈색소는 일산화탄소와 결합하는 친화력이 산소와 비교하여 약 210배나 크기 때문에 저농도의 일산화탄소 환경에서도 쉽게 CO-hemoglobin을 형성하므로 산소를 운반할 수 없게 된다. 적혈구는 100 mL중에 평균 35g의 혈색소를 함유하고 있다. 건강 진단시 남자는 12.0g 이상 13.0g 미만, 여자는 10.5g 이상 12.0g 미만을 기준으로 빈혈이라는 판정을 내린다.