Dans le langage courant, respirer c’est inspirer et expirer de l’air. Plus précisément, c’est inspirer de l’air riche en oxygène, et expirer de l’air appauvri en oxygène et enrichi en dioxyde de carbone (ou gaz carbonique, CO₂). Du point de vue de la biochimie, la respiration est un processus métabolique qui fournit de l’énergie chimique aux cellules, elle utilise l’oxygène de l’air pour consumer de manière contrôlée des sucres ou des graisses, en produisant du dioxyde de carbone et de l’eau. Cette série de réactions est semblable à celle qui a lieu quand on fait brûler un morceau de bois: la matière organique réagit avec l’oxygène, ce qui dégage de l’énergie et produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.

Chez les plantes, la photosynthèse permet le processus inverse grâce à l’énergie lumineuse du soleil: du dioxyde de carbone et de l’eau sont transformés en matière organique, et de l’oxygène est produit. Toutefois, dans les parties de la plante qui ne sont pas exposées à la lumière, comme les racines, ou pendant la nuit, la photosynthèse ne peut pas avoir lieu. C’est alors la respiration qui prend le relais et fournit de l’énergie aux cellules végétales, en consommant de la matière organique mise en réserve.

Il existe une voie alternative de la respiration qui permet de produire plus de chaleur, mais moins d’énergie chimique utilisable par la cellule, en court-circuitant une partie de la série de réactions habituelles de la respiration. Elle fait appel à une enzyme appelée oxydase alternative. Cette voie est activée lors de stress, ou dans des tissus qui produisent de la chaleur, comme chez certaines plantes du genre Arum qui utilisent cette chaleur pour volatiliser des odeurs qui attirent les insectes pollinisateurs.

Chez les plantes il y a un autre mécanisme qui, en présence de lumière, consomme de l’oxygène et produit du dioxyde de carbone, ce qui peut sembler paradoxal car ce processus va à l’opposé de la photosynthèse. Il est appelé photorespiration: "photo" pour la lumière dont il dépend, "respiration" par analogie avec la respiration qui consomme de l’oxygène et produit du dioxyde de carbone. Dans la photosynthèse, c’est une enzyme surnommée Rubisco (Ribulose-bis-phosphate carboxylase oxygénase, pour les intimes) qui fixe la molécule de dioxyde de carbone à un sucre préexistant. Mission difficile car, dans l’air, il y a seulement 0.04% de dioxyde de carbone contre 21% d’oxygène, soit environ 500 fois moins. De temps en temps la Rubisco réagit avec une molécule d’oxygène plutôt qu’avec le dioxyde de carbone, ce qui gaspille une molécule du sucre préexistant. Toutefois tout n’est pas perdu, car la plante dispose d’une voie métabolique pour recycler au mieux les produits de cette réaction indésirable de la Rubisco. Mais, au cours de ce recyclage, une molécule de dioxyde de carbone est malgré tout relâchée. Au bilan de la photorespiration, de l’oxygène est consommé et du dioxyde de carbone est libéré, ce qui s’apparente à une respiration, mais en fait ce processus consomme de l’énergie. La photorespiration est donc généralement considérée comme une perte ou un gaspillage pour la plante, mais il est possible que dans certaines conditions de stress, la photorespiration serve de soupape pour évacuer un excédent d’énergie.

Il y a enfin, dans les chloroplastes des plantes, des mécanismes de régulation fine de la photosynthèse qui consomment de l’oxygène, mais n’émettent pas directement du dioxyde de carbone, comme la chlororespiration.