Простые организмы маленького размера способны обеспечивать обмен газами, водой и элементами питания с внешней средой путем простой диффузии соединений через клеточную мембрану. Для более сложно устроенных или более крупных животных, какими являются многоклеточные, этого способа недостаточно. Кровеносная система выработана природой, чтобы быстро доставлять тканям все необходимые элементы питания и избавлять их от отходов.

Кровеносная система состоит из подводящей системы и насоса (сердца), который заставляет жидкости циркулировать.

Системы беспозвоночных. Большинству беспозвоночных (насекомых, ракообразных, многих моллюсков) свойственна так называемая открытая кровеносная система, при которой сосуды открываются в большую полость — целом. Перемешанные лимфа и кровь, составляющие гемолимфу, всасываются из целома одним или несколькими сердцами (часто простым утолщением больших сосудов, способным сжиматься) и снова поступают в сосудистую систему.

У более сложных беспозвоночных (например, дождевых червей, головоногих моллюсков) система закрытая, кровь или гемолимфа постоянно циркулирует по сосудам. Более простая система состоит из одного сосуда, который начинается сразу за очень длинной овальной петлей, в одном из изгибов которой находится сердце. Более сложные системы отличаются значительной сетью сосудов. Причем, чем крупнее животное, тем плотнее эта сеть. У более развитых беспозвоночных, таких как моллюски, сердце более сложное. Сердце головоногих (каракатицы, кальмара) состоит из 2 или 4 предсердий и одного желудочка.

Двойная кровеносная система позвоночных. Одно из назначений крови заключается в переносе газов от органов дыхания к тканям организма и обратно. Эта функция во многом повлияла на общую структуру организма.

У животных, снабженных легкими, эволюция способствовала появлению особого типа сосудистой системы, состоящей из двух кругов. Первый, называемый малым кругом кровообращения, проходит от сердца к легким и обратно к сердцу; в его функции входит насыщение крови кислородом. Второй, большой круг кровообращения, идет от сердца к периферическим органам и возвращается к сердцу. Строение второго круга также изменилось в ходе эволюции. У млекопитающих сердце работает как два отдельных, хотя и тесно связанных насоса, каждый из которых обеспечивает прохождение крови в одну из кровеносных систем. По-настоящему полная кровеносная система, состоящая из двух частей, наблюдается только у птиц и млекопитающих. У остальных животных, дышащих легкими (пресмыкающихся и земноводных), она находится в стадии развития.

Переносчики кислорода. Кислород растворяется в крови, но этого недостаточно, чтобы транспортировать его к органам. У всех животных, за исключением простейших, он закрепляется на крупных транспортных молекулах, в основном состоящих из белка, связанного с ионами металлов (гемоцианин, гемоглобин). У более сложно устроенных животных протеин содержится в клетках (например, красные кровяные шарики), чтобы увеличивать количество переносимого кислорода.