心血管训练通过强化心血管系统来增强心脏和肺部功能。心脏作为肌肉器官，需要定期锻炼以维持高效运作。日常生活中平缓的心跳强度不足以刺激心脏强化，必须通过更高强度的锻炼来增强其泵血能力。许多心脏病专家认为，心脏锻炼还能提升其工作效率——即在更低的心率下完成供血任务，这可能显著提升心脏病发作时的存活率。
运动期间，供应心脏的血管会扩张，血液中的胆固醇浓度也会降低。这两个机制有助于减少血管壁的脂肪沉积（这是引发心脏病和中风的重要因素）。运动还能促进新生血管的形成，同时增强全身血管弹性，通常能降低血压（这是预防心脏病的重要指标）。
诸如跑步、骑自行车、游泳、越野滑雪、划船、爬楼梯和跳绳等活动会显著增加心血管和呼吸系统的负荷。在运动过程中，这两个系统需要持续向工作肌群输送氧气。这些氧气主要用于产生肌肉收缩所需的能量。任何持续调动大肌群超过20分钟的运动都能有效刺激心肺系统。因此，多种训练方法被应用于提升心肺耐力。
有氧运动主要通过氧气分解产生身体所需的能量，并触发一系列复杂的生理反应：肺部通气量增加；氧气从肺泡向血液的转移效率提升；心脏加速泵血将富氧血液输送至工作肌群；血管直径动态调节以将血液从非活动组织转移至工作肌群；氧气从血液向肌肉组织的扩散效率提升；静脉血回流心脏的速度加快。
长期规律的有氧运动能引发心血管系统的积极适应：心脏和血管系统可向工作肌群输送更多富氧血液，常规锻炼的肌肉也会产生结构改变。这些变化使肌肉能更高效地利用氧气生成能量，从而提升运动表现。经过有氧训练的人，在最大强度运动时能实现更高的最大摄氧量（VO₂max），这代表其身体能更高效地处理氧气和能量物质，为工作肌群提供持续能量。
任何阻碍氧气摄取、运输或利用的生理因素都会限制有氧运动能力。久坐不动是导致随年龄增长而体能衰退的主要原因，定期锻炼可有效延缓这种衰退。某些疾病（如阻碍呼吸的肺部疾病、影响心脏功能的器质性病变、阻塞性动脉硬化）也会损害氧气输送系统。吸烟则可能诱发上述所有问题，无论短期还是长期都会显著削弱有氧运动能力。
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