Nach dem Passieren eines Spirakels tritt die Luft in einen länglichen Tracheenstamm ein und diffundiert schließlich durch ein komplexes, verzweigtes Netzwerk von Tracheenröhren, das sich in immer kleinere Durchmesser unterteilt und jeden Teil des Körpers erreicht. Am Ende jeder Tracheenverzweigung bildet eine spezielle Zelle eine dünne, feuchte Schnittstelle für den Gasaustausch zwischen atmosphärischer Luft und einer lebenden Zelle. Der Sauerstoff im Trachealrohr löst sich zunächst in der Flüssigkeit der Tracheole und diffundiert dann über die Zellmembran in das Zytoplasma einer benachbarten Zelle. Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid, das als Abfallprodukt der Zellatmung entsteht, aus der Zelle und schließlich durch das Tracheensystem aus dem Körper.
Jede Tracheenröhre entsteht während der Embryonalentwicklung als Einstülpung des Ektoderms. Um zu verhindern, dass sie unter Druck zusammenbricht, windet sich ein dünner, verstärkender „Draht“ aus Kutikula (die Taenidien) spiralförmig durch die häutige Wand. Diese Konstruktion (ähnlich dem Heizungsschlauch eines Autos oder dem Abluftrohr eines Wäschetrockners) gibt den Tracheen die Fähigkeit, sich zu biegen und zu dehnen, ohne Knicke zu bilden, die den Luftstrom einschränken könnten.
Das Fehlen der Taenidien in bestimmten Teilen des Tracheensystems ermöglicht die Bildung von kollabierbaren Luftsäcken, ballonähnlichen Strukturen, die eine Reserve an Luft speichern können. In trockenen terrestrischen Umgebungen ermöglicht dieser temporäre Luftvorrat einem Insekt, Wasser zu sparen, indem es seine Luftsäcke in Zeiten hohen Verdunstungsstresses schließt. Wasserlebende Insekten verbrauchen die gespeicherte Luft, wenn sie unter Wasser sind, oder nutzen sie zur Regulierung des Auftriebs. Während einer Häutung füllen und vergrößern sich die Luftsäcke, wenn sich das Insekt von seinem alten Exoskelett befreit und ein neues aufbaut. Zwischen den Häutungen bieten die Luftsäcke Platz für neues Wachstum und schrumpfen in ihrem Volumen, wenn sie durch die Ausdehnung der inneren Organe komprimiert werden.
Kleine Insekten verlassen sich fast ausschließlich auf passive Diffusion und körperliche Aktivität für die Bewegung von Gasen innerhalb des Tracheensystems. Größere Insekten benötigen jedoch eine aktive Belüftung des Tracheensystems (vor allem, wenn sie aktiv sind oder unter Hitzestress stehen). Sie erreichen dies, indem sie einige Luftröhren öffnen und andere schließen, während sie Bauchmuskeln einsetzen, um das Körpervolumen abwechselnd auszudehnen und zusammenzuziehen. Obwohl diese pulsierenden Bewegungen Luft von einem Ende des Körpers zum anderen durch die länglichen Tracheen spülen, ist die Diffusion immer noch wichtig für die Verteilung des Sauerstoffs zu den einzelnen Zellen durch das Netzwerk der kleineren Tracheenröhren. Tatsächlich wird die Gasdiffusionsrate als einer der wichtigsten limitierenden Faktoren (zusammen mit dem Gewicht des Exoskeletts) angesehen, der die Größe von Insekten begrenzt. In Perioden der Erdgeschichte, wie z. B. dem Karbon, herrschte jedoch ein viel höherer Sauerstoffgehalt (bis zu 35 %), der die Entwicklung größerer Insekten, wie z. B. Meganeura, zusammen mit Spinnentieren, ermöglichte.