碳氧血色素是由一氧化碳与血红蛋白结合形成的稳定化合物。一氧化碳与血红蛋白的结合力远大于氧与血红蛋白的结合力，且碳氧血红蛋白的解离速度极慢，仅为氧血红蛋白的1/3600。这一特性使得一氧化碳与血红蛋白结合后，不仅降低了红细胞携带氧气的能力，还阻碍了氧合血红蛋白的解离和氧气的释放。

碳氧血红蛋白是在一氧化碳气体被生物吸入或在代谢过程中产生的条件下形成的。血红蛋白具有与一氧化碳结合的倾向，其亲和力约为氧气的240倍。当体内碳氧血红蛋白含量较高时，会影响氧气向全身组织的输送，从而引发一氧化碳中毒。

碳氧血红蛋白的半衰期通常为4至6小时，其解离速度明显低于氧合血红蛋白。通过吸入含有4-5%二氧化碳的高浓度氧气，可以加速碳氧血红蛋白的分解，使其半衰期缩短至35至70分钟。在高压氧治疗中，患者会被置于高浓度氧气和压力接近3个大气压的环境中，以促进身体对氧气的吸收。此外，碳氧血红蛋白的存在也会增加血栓形成的风险。吸烟者的血液中碳氧血红蛋白浓度可能会上升数倍，这可能是吸烟者易患中风的原因之一。对于孕妇来说，吸烟可能导致胎儿轻度缺氧，进而影响婴儿发育并增加早产风险。

在正常的代谢过程中，血色素裂解时会产生一氧化碳，随后与血红素加氧酶1及2型发生反应，形成碳氧血红蛋白。1993年的一项研究首次提出了一氧化碳作为神经递质的作用，并将其与其他两种气体——一氧化氮和硫化氢一起视为调节炎症的关键因素。这些气体能够帮助减轻炎症、扩张血管以及促进新血管的生长。尽管新血管的形成并不总是有益于人体健康，如在肿瘤和湿性老年黄斑变性等疾病中，但一氧化碳因其潜在的生理作用而受到了广泛关注。