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在跑步过程中，肌肉组织以及负责吸收和运送氧气的肺部、心脏和血液循环系统，会进行一系列活动。首先肌肉系统中的纤维素交换会被优化，释放出更多的酶，促进能量物质的交换，耐力就随之增强。这种能量物质的交换，需要氧气的参与，通过确定最大摄氧量就可以测量出人的耐力。
最大摄氧量（VO2max）是指一分钟内每千克体重能够摄入的最大氧气量。最大摄氧量由基因决定，也和体育锻炼和体重有关，体重增加，最大摄氧量就降低，体育锻炼可以提高呼吸器官的供氧能力从而提高最大摄氧量。
运动者的心脏会增大，这是健康的现象。心脏增大使得心脏容积增大，从而提高每次搏动时的输血量，也就提高了工作效率。这样就能优化血液循环，使毛细血管数量增多，促进供血，给器官带来更多养分和氧气。同时，跑步者的血液浓度会降低，流动性变得更强。耐力跑步者需要坚持训练两年以上，才能使毛细血管渗透率提高到40％以上。
每个人的肌纤维类型决定了他的擅长运动类型。肌纤维分为两种，一种是能迅速收缩的快肌纤维，另一种是收缩速度较慢的慢肌纤维。这两种肌纤维的分布模式是与生俱来的，普通人身上这两种肌纤维的量几乎持平，马拉松运动员有80％以上的慢肌纤维，而短跑冠军身上的快肌纤维会占到更多的比例。了解跑步时身体的能量代谢基础知识也很重要，这对理解训练和营养学更有帮助。根据不同的需求，身体会使用不同的能量。第一种能量是三磷酸腺苷（ATP），储存形式为肌酸磷酸盐，它是补充速度最快的能量，在短时间内不需要氧气参与，可以支撑短时间训练，如果训练时间持续较长，就需要氧气才能重新合成。
第二种能量是碳水化合物，主要以糖原形式储存在肝脏和肌肉系统中。碳水化合物给身体提供能量，还需要氧气的参与，产生的化合物就是三磷酸腺苷。这是跑步者的超级燃料。
第三种能量是蛋白质，属于最昂贵的燃料。在碳水化合物快耗尽时，身体会消耗蛋白质，生成葡萄糖。但因为这不是蛋白质主要的代谢途径，所以会出现一些副作用，造成肌肉组织和血红蛋白等身体组织的分解。
第四种能量是脂肪，这是身体巨大而持久的燃料储备，脂肪分解能够释放能量，身体如果持续负荷数小时，那么接近90％的能量需求都是由脂肪分解来满足的。但是如果准备不足或起跑速度过快，提前用完糖原储备，脂肪代谢也会遇到问题，就会突然出现呼吸急促的身体极限。所以，跑步的起跑速度不能过快。
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