Dopo essere passata attraverso uno spiracolo, l’aria entra in un tronco tracheale longitudinale, diffondendosi infine in una complessa rete ramificata di tubi tracheali che si suddivide in diametri sempre più piccoli e raggiunge ogni parte del corpo. Alla fine di ogni ramificazione tracheale, una cellula speciale fornisce un’interfaccia sottile e umida per lo scambio di gas tra l’aria atmosferica e una cellula vivente. L’ossigeno nel tubo tracheale prima si dissolve nel liquido della tracheola e poi si diffonde attraverso la membrana cellulare nel citoplasma di una cellula adiacente. Allo stesso tempo, l’anidride carbonica, prodotta come prodotto di scarto della respirazione cellulare, si diffonde fuori dalla cellula e, infine, dal corpo attraverso il sistema tracheale.
Ogni tubo tracheale si sviluppa come invaginazione dell’ectoderma durante lo sviluppo embrionale. Per prevenire il suo collasso sotto pressione, un sottile “filo” di cuticola di rinforzo (i taenidi) si avvolge a spirale attraverso la parete membranosa. Questo disegno (simile nella struttura a un tubo di riscaldamento su un’automobile o un condotto di scarico su un’asciugatrice) dà ai tubi tracheali la capacità di flettersi e allungarsi senza sviluppare pieghe che potrebbero limitare il flusso d’aria.
L’assenza di taenidia in alcune parti del sistema tracheale permette la formazione di sacche d’aria pieghevoli, strutture simili a palloncini che possono conservare una riserva d’aria. In ambienti terrestri secchi, questa riserva d’aria temporanea permette all’insetto di conservare l’acqua chiudendo i suoi spiracoli durante i periodi di forte stress evaporativo. Gli insetti acquatici consumano l’aria immagazzinata mentre sono sott’acqua o la usano per regolare il galleggiamento. Durante una muta, i sacchi d’aria si riempiono e si allargano quando l’insetto si libera del vecchio esoscheletro e ne espande uno nuovo. Tra una muta e l’altra, i sacchi d’aria forniscono spazio per la nuova crescita, riducendosi di volume quando vengono compressi dall’espansione degli organi interni.
I piccoli insetti si affidano quasi esclusivamente alla diffusione passiva e all’attività fisica per il movimento dei gas all’interno del sistema tracheale. Tuttavia, gli insetti più grandi possono richiedere una ventilazione attiva del sistema tracheale (specialmente quando sono attivi o sotto stress termico). Compiono questo aprendo alcuni spiracoli e chiudendone altri mentre usano i muscoli addominali per espandere e contrarre alternativamente il volume del corpo. Anche se questi movimenti pulsanti portano l’aria da un’estremità all’altra del corpo attraverso i tronchi tracheali longitudinali, la diffusione è ancora importante per distribuire l’ossigeno alle singole cellule attraverso la rete di piccoli tubi tracheali. Infatti, il tasso di diffusione dei gas è considerato uno dei principali fattori limitanti (insieme al peso dell’esoscheletro) che limita le dimensioni degli insetti. Periodi della storia antica della Terra, tuttavia, come il Carbonifero, presentavano livelli di ossigeno molto più alti (fino al 35%) che hanno permesso l’evoluzione di insetti più grandi, come la meganeura, insieme agli aracnidi.