Después de pasar por un espiráculo, el aire entra en un tronco traqueal longitudinal, difundiéndose finalmente a través de una compleja red ramificada de tubos traqueales que se subdivide en diámetros cada vez más pequeños y llega a todas las partes del cuerpo. Al final de cada rama traqueal, una célula especial proporciona una interfaz fina y húmeda para el intercambio de gases entre el aire atmosférico y una célula viva. El oxígeno del tubo traqueal se disuelve primero en el líquido de la traquea y luego se difunde a través de la membrana celular hacia el citoplasma de una célula adyacente. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono, producido como producto de desecho de la respiración celular, se difunde fuera de la célula y, finalmente, fuera del cuerpo a través del sistema traqueal.
Cada tubo traqueal se desarrolla como una invaginación del ectodermo durante el desarrollo embrionario. Para evitar su colapso bajo presión, un fino «hilo» de refuerzo de la cutícula (los taenidios) se enrolla en espiral a través de la pared membranosa. Este diseño (de estructura similar a la manguera de la calefacción de un automóvil o al conducto de escape de una secadora de ropa) proporciona a los tubos traqueales la capacidad de flexionarse y estirarse sin desarrollar pliegues que puedan restringir el flujo de aire.
La ausencia de taenidia en ciertas partes del sistema traqueal permite la formación de sacos de aire plegables, estructuras similares a globos que pueden almacenar una reserva de aire. En entornos terrestres secos, este suministro temporal de aire permite al insecto conservar el agua cerrando sus espiráculos durante los periodos de alto estrés evaporativo. Los insectos acuáticos consumen el aire almacenado mientras están bajo el agua o lo utilizan para regular la flotabilidad. Durante una muda, los sacos de aire se llenan y agrandan cuando el insecto se libera del antiguo exoesqueleto y expande uno nuevo. Entre las mudas, los sacos de aire proporcionan espacio para el nuevo crecimiento, reduciendo su volumen a medida que se comprimen por la expansión de los órganos internos.
Los insectos pequeños dependen casi exclusivamente de la difusión pasiva y la actividad física para el movimiento de los gases dentro del sistema traqueal. Sin embargo, los insectos más grandes pueden necesitar una ventilación activa del sistema traqueal (especialmente cuando están activos o bajo estrés térmico). Lo consiguen abriendo algunos espiráculos y cerrando otros mientras utilizan los músculos abdominales para expandir y contraer alternativamente el volumen corporal. Aunque estos movimientos pulsátiles llevan el aire de un extremo a otro del cuerpo a través de los troncos traqueales longitudinales, la difusión sigue siendo importante para distribuir el oxígeno a las células individuales a través de la red de tubos traqueales más pequeños. De hecho, la velocidad de difusión de los gases se considera uno de los principales factores limitantes (junto con el peso del exoesqueleto) que limita el tamaño de los insectos. Sin embargo, períodos de la historia antigua de la Tierra, como el Carbonífero, presentaban niveles de oxígeno mucho más elevados (hasta un 35%) que permitieron la evolución de insectos de mayor tamaño, como los meganeura, junto con los arácnidos.