Após passar por um espiráculo, o ar entra num tronco traqueal longitudinal, eventualmente difundindo-se através de uma rede complexa e ramificada de tubos traqueal que se subdivide em diâmetros cada vez menores e atinge cada parte do corpo. No final de cada ramo traqueal, uma célula especial fornece uma interface fina e húmida para a troca de gases entre o ar atmosférico e uma célula viva. O oxigénio no tubo traqueal dissolve-se primeiro no líquido da traqueia e depois difunde-se através da membrana celular para o citoplasma de uma célula adjacente. Ao mesmo tempo, o dióxido de carbono, produzido como um produto residual da respiração celular, difunde-se para fora da célula e, eventualmente, para fora do corpo através do sistema traqueal.
Cada tubo traqueal desenvolve-se como uma invaginação do ectoderma durante o desenvolvimento embrionário. Para evitar o seu colapso sob pressão, um fino e reforçado “fio” de cutícula (a taenidia) serpenteia em espiral através da parede membranosa. Este desenho (semelhante em estrutura a uma mangueira de aquecimento num automóvel ou um tubo de escape num secador de roupa) dá aos tubos traqueais a capacidade de flexionar e esticar sem desenvolver dobras que possam restringir o fluxo de ar.
A ausência de taenidia em certas partes do sistema traquial permite a formação de sacos de ar rebatíveis, estruturas semelhantes a balões que podem armazenar uma reserva de ar. Em ambientes terrestres secos, este fornecimento temporário de ar permite que um insecto conserve água fechando os seus espiráculos durante períodos de elevado stress evaporativo. Os insectos aquáticos consomem o ar armazenado sob a água ou utilizam-no para regular a flutuabilidade. Durante uma muda, os sacos de ar enchem-se e alargam-se à medida que o insecto se liberta do antigo exoesqueleto e expande um novo. Entre moldes, os sacos de ar proporcionam espaço para novos volumes de crescimento, à medida que são comprimidos pela expansão dos órgãos internos.
Insectos pequenos dependem quase exclusivamente da difusão passiva e da actividade física para o movimento de gases dentro do sistema traqueal. Contudo, os insectos maiores podem necessitar de ventilação activa do sistema traqueal (especialmente quando activos ou sob stress térmico). Conseguem isto abrindo alguns espiráculos e fechando outros enquanto usam os músculos abdominais para se expandirem e contraírem alternadamente o volume corporal. Embora estes movimentos pulsantes lancem ar de uma extremidade do corpo para a outra através dos troncos longitudinais da traqueia, a difusão ainda é importante para distribuir oxigénio às células individuais através da rede de tubos traqueais mais pequenos. De facto, a taxa de difusão de gás é considerada como um dos principais factores limitantes (juntamente com o peso do exoesqueleto) que limita o tamanho dos insectos. No entanto, períodos da história antiga da Terra, como o Carbonífero, apresentavam níveis de oxigénio muito mais elevados (até 35%) que permitiam a evolução de insectos maiores, como o meganeura, juntamente com os aracnídeos.