Na het passeren van een spirakel komt de lucht in een longitudinale tracheale stam terecht, die zich uiteindelijk verspreidt door een complex, vertakkend netwerk van tracheale buizen dat zich onderverdeelt in steeds kleinere diameters en elk deel van het lichaam bereikt. Aan het einde van elke tracheale vertakking zorgt een speciale cel voor een dunne, vochtige interface voor de uitwisseling van gassen tussen de atmosferische lucht en een levende cel. Zuurstof in de tracheale buis lost eerst op in de vloeistof van de tracheole en diffundeert dan over het celmembraan in het cytoplasma van een aangrenzende cel. Tegelijkertijd diffundeert kooldioxide, dat als afvalproduct van de celademhaling ontstaat, via het tracheale systeem uit de cel en uiteindelijk uit het lichaam.
Elke tracheale buis ontwikkelt zich als een invaginatie van het ectoderm tijdens de embryonale ontwikkeling. Om te voorkomen dat hij onder druk bezwijkt, kronkelt een dunne, versterkende “draad” van cuticula (de taenidia) spiraalsgewijs door de membraneuze wand. Dit ontwerp (vergelijkbaar met een kachelslang van een auto of een uitlaat van een wasdroger) geeft tracheale buizen de mogelijkheid om te buigen en uit te rekken zonder knikken te ontwikkelen die de luchtstroom zouden kunnen beperken.
De afwezigheid van taenidia in bepaalde delen van het tracheale systeem maakt de vorming van inklapbare luchtzakken mogelijk, ballonachtige structuren die een reserve aan lucht kunnen opslaan. In droge landmilieus stelt deze tijdelijke luchtvoorraad een insect in staat water te sparen door zijn spirakels te sluiten tijdens perioden van hoge verdampingsstress. Waterinsecten verbruiken de opgeslagen lucht onder water of gebruiken ze om hun drijfvermogen te reguleren. Tijdens een vervelling vullen en vergroten de luchtzakken zich als het insect zich losmaakt van het oude exoskelet en een nieuw uitzet. Tussen de vervellingen in bieden de luchtzakken ruimte voor nieuwe groei – ze krimpen in volume als ze worden samengedrukt door de uitzetting van interne organen.
Kleine insecten vertrouwen bijna uitsluitend op passieve diffusie en fysieke activiteit voor de verplaatsing van gassen binnen het tracheale systeem. Bij grotere insecten kan het echter nodig zijn het tracheeënstelsel actief te ventileren (vooral wanneer ze actief zijn of onder hittestress staan). Zij doen dit door sommige spirakels te openen en andere te sluiten, terwijl zij buikspieren gebruiken om het lichaamsvolume afwisselend uit te zetten en in te krimpen. Hoewel deze pulserende bewegingen lucht van het ene uiteinde van het lichaam naar het andere voeren via de longitudinale tracheale stammen, is diffusie nog steeds belangrijk voor de verdeling van zuurstof naar de afzonderlijke cellen via het netwerk van kleinere tracheale buizen. In feite wordt de snelheid van gasdiffusie beschouwd als een van de belangrijkste beperkende factoren (samen met het gewicht van het exoskelet) die de grootte van insecten beperkt. Perioden in de oude geschiedenis van de aarde, zoals het Carboon, kenden echter veel hogere zuurstofniveaus (tot 35%), waardoor grotere insecten, zoals meganeura, samen met spinachtigen, konden evolueren.