呼吸系统由呼吸道和肺组成。呼吸道包括鼻、咽、喉、气管及支气管等。通常称鼻、咽、喉为上呼吸道，气管和各级支气管为下呼吸道。肺主要由支气管树、肺泡组成，还包括结缔组织、血管、淋巴管、淋巴结和神经等。呼吸系统的主要功能是进行气体交换，即吸入氧，排出二氧化碳，还有发音、嗅觉、协助静脉血回流入心等功能。肺有两套血管系统，一是功能性血管，即肺动脉与肺静脉，承担气体交换功能；二是营养性血管，即支气管动脉与支气管静脉，分布于各级支气管壁、血管壁和脏胸膜等处，供给氧气和营养物质。这两套血管系统通过肺泡毛细血管网相连。因此，肺既有气流和气体交换，还有血液流动等力学问题，被认为是生物力学理想的研究对象。

从20世纪60年代开始，冯元桢就与著名的内科医生S.S.索宾合作对肺这个复杂的器官开展了大量生物力学开创性的系统研究。首先，他们对肺的解剖学和组织学进行了深入细致的研究，以猫（后来又改用大鼠）为研究对象，定量研究了肺动脉树和肺静脉树的分支分级结构和肺毛细血管的几何形态，再根据肺毛细血管与肺泡几何形态特征，建立了“片流模型”。通过动物实验获得了一套完整的猫各级肺动脉和肺静脉的弹性数据以及肺泡的弹性，又通过理论和实验研究确定了肺毛细血管中血液的表观黏度。然后，以物理学经典的守恒定律为基础，对肺血流问题进行了一系列精美的数学分析，获得了肺泡血液的应力  流量关系和肺总体血流等一系列精确的定量结果。这些肺循环理论研究的结果与已有的实验结果十分吻合，从而建立了肺微循环片流理论，实现了用精确的力学语言来描述生理学中的力学问题，以使生理学变得与物理学一样清晰的目的，为生物力学研究提供了一个成功的范例。在此基础上，冯元桢又把肺循环生物力学研究深入到病理生理领域，详细研究了大鼠缺氧肺动脉高压状态下肺动脉树各级分支的血管重建。

对上呼吸道的生物力学研究主要集中在对鼻腔、鼻窦、咽及上气道疾病，如阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征等发病机理的探讨，结合临床CT和MRI图像，建立了生物力学的量化分析平台，辅助临床进行诊断、个性化干预、疗效评估以及相关医疗器材的研制。

在器官、细胞和分子多层次研究气道平滑肌的生物力学行为及其与哮喘发病机制的关系也是呼吸生物力学研究的进展之一。这些研究包括：观测和表征气道平滑肌在正常和病理状态下细胞分子水平的生物力学行为，探讨力学生物学微环境对这些行为的调控机制及其相互作用规律，建立整合气道平滑肌各层次生物力学行为的气道收缩模型，探讨疾病发生的生物力学机制，其中气道平滑肌力学行为的力学生物学调控机制研究将是今后重要发展的方向之一。