Thú biển (như rái cá biển, báo biển, sư tử biển, cá heo, cá voi) cũng thở bằng phổi như thú cạn. Tuy phải thường xuyên nhô lên mặt nước, nhưng chúng có thể ở dưới nước một thời gian tương đối dài, từ 20-30 phút với rái cá biển, 43 phút với báo biển Wader, hay thậm chí 1-2 tiếng với cá voi cỡ lớn. Vì sao ở dưới nước trong thời gian dài như vậy mà chúng không chết ngạt? Các nhà nghiên cứu đã phát hiện cơ thể thú biển có "kho" tích trữ oxy đặc biệt, chính là máu và cơ. Chúng ta biết rằng, trong máu chứa một lượng lớn oxy và thể khí CO2. Mặt khác, tỷ lệ máu so với thể trọng cơ thể của thú biển thông thường lớn nhiều hơn so với động vật sống trên cạn. Ví dụ ở người, máu chiếm khoảng 7% thể trọng, còn máu của cá heo lại chiếm khoảng 10-11% thể trọng của nó, và ở báo biển là 18%. Ngoài máu ra, cơ thịt cũng có thể tích trữ ôxy. Trong cơ thịt của thú biển có một loại albumin cơ hồng, rất dễ kết hợp với oxy. Khi chúng nhô lên khỏi mặt nước để thay đổi không khí, oxy được hít vào, một phần kết hợp với albumin cơ hồng hình thành trạng thái kết hợp hóa học, tích trữ trong cơ. Albumin này càng nhiều, oxy được tích trữ càng lớn. So với động vật cạn, albumin cơ hồng ở thú biển cao hơn nhiều. Oxy dự trữ kiểu này có thể chiếm hơn 50% dự trữ oxy toàn thân chúng. Chính vì albumin trong cơ thịt khá nhiều, nên màu sắc của thịt cá voi và thịt báo biển đều có màu tím thẫm. Ngoài ra, tần số thở bình thường của thú biển tuy rất thấp, nhưng khả năng hít oxy và nén khí CO2 lại rất mạnh, có lợi cho cuộc sống dưới nước của chúng. Người bình thường một lần thở chỉ có thể thay đổi 15-20% khí trong phổi, còn cá voi lại có thể thay đổi trên 80%. Đa số động vật cạn, kể cả người rất nhạy cảm với CO2 trong máu. Nếu hàm lượng CO2 trong không khí tăng lên, thì tần xuất thở của người sẽ tăng lên gấp 5 lần bình thường. Nhưng thú biển lại không như vậy, dù CO2 trong máu tăng lên cũng không xảy ra sự cưỡng chế thở. Có người từng thử nghiệm, đeo cho báo biển một mặt nạ hô hấp đặc biệt, để chúng hô hấp khí có giới hạn. Họ phát hiện thấy khi hàm lượng CO2 trong đó cao đến 10% thì hoạt động thở của báo biển vẫn giữ được bình thường. Điều này đã giúp cho chúng sống được dưới nước trong thời gian dài.
