Alveolární difuze, jak již název napovídá, probíhá v alveolech, kam se vzduch dostává laminárním prouděním skrze dýchací cesty. Samotná difuze probíhá přes alveolo-kapilární membránu. Ta je tvořena pneumocyty I. řádu (a pneumocyty II. řádu, ty se však na difuzi nepodílí) a stěnou plicní kapiláry. Stěny plicních kapilár jsou fenestrované, což můžeme připodobnit k cedníku.

Díky tomu, že alveoly nekolabují při výdechu, tak je vzduch v nich přibližně stále stejného složení. Objem vzduchu, který v alveolech zůstává se nazývá reziduální funkční kapacita (FRC). Funkční reziduální kapacita je přibližně 2500 ml a jeden dech je přibližně 300 ml (6- 7 ml / kg). Složení alveolárního vzduchu se odvíjí od velikosti plicní ventilace a od spotřeby kyslíku a výdeje oxidu uhličitého.

Výměna plynů mezi krví a vnějším prostředím je závislá na několika fkatorech.

• Plocha alveolo-kapilární membrány (přibližně 100m2)
• Tloušťka alveolo-kapilární membrány (1 mikrometr)
• Rozdílu parciálních tlaků plynů a na difuzních koeficientech plynů.

Plyny difundují přes membránu ve směru tlakových gradientů. Tedy kyslík se přesouvá ve směru z alveolárního vzduchu do krve a oxid uhličitý přesně naopak. Krev, která přitéká k alveolům je totiž chudá na kyslík, ale bohatá na CO2.

Za normálních okolností probíhá difuze plynů dostatečně rychle a krev teče tak pomalu, že k rovnováze mezi vzduchem v alveolu a krví dojde ještě před koncem alveolo-kapilární membrány. Zároveň je většina kapilár v klidu uzavřena a otevírají se až při zvýšení tlaku při vyšší zátěži organismu.

Difuze plynů je negativně ovlivněna tedy všemi změnami daného systému. Nárůst tloušťky alveolo-kapilární membrány prodlouží difuzní čas pro kyslík a ten nedosáhne svého ekvilibria. K tomu dochází např. při plicních fibrózách. Dále např. u emfyzému, kdy se alveoly zvětšují a destruují se alveolární septa dochází k úbytku alveolů a zmenšuje se tedy plocha na které mohou plyny difundovat. 

Nejčastější poruchou je však nepoměr mezi ventilací plic a perfuzí plic. Kdy vzniká tak zvaný venózní zkrat a výsledná krev odtékající z plic je hyposaturovaná kyslíkem. Organismus k řízení ventilace-perfuze uplatňuje několik mechanismů. 

• Jakmile dojde k poklesu parciálního tlaku kyslíku v nějaké plicní kapiláře dochází zde k vazokonstrikci a snaze přesměrovat tok krve do oblasti plic, které jsou více ventilované.
• V oblastech, které jsou více ventilované než perfundované dochází ke snížení pCO2 a tedy k nárůstu pH (alkaloza). To vede k napnutí hladké svaloviny bronchů a snaze přesměrovat ventilaci do částí plic, které jsou lépe perfundované.